Prestationskoefficient - Coefficient of performance

Den värmefaktor eller COP (ibland CP eller CoP ) hos en värmepump, kylskåp eller luftkonditioneringssystem är ett förhållande mellan nyttig uppvärmning eller kylning tillhandahålls till arbete (energi) som krävs. Högre COP motsvarar högre effektivitet, lägre energiförbrukning (kraft) och därmed lägre driftskostnader. COP -värdet överstiger vanligtvis 1, särskilt i värmepumpar, eftersom det i stället för att bara omvandla arbete till värme (som om det är 100% effektivt skulle vara ett COP på 1) pumpar det extra värme från en värmekälla till där värmen krävs . De flesta luftkonditioneringsapparater har COP på 2,3 till 3,5. Mindre arbete krävs för att flytta värme än för omvandling till värme, och på grund av detta kan värmepumpar, luftkonditioneringar och kylsystem ha en prestanda koefficient större än en. Detta betyder dock inte att de är mer än 100% effektiva, med andra ord, ingen värmemotor kan ha en värmeeffektivitet på 100% eller mer. För kompletta system bör COP -beräkningar inkludera energiförbrukning för alla strömförbrukande hjälpmedel. COP är starkt beroende av driftsförhållanden, särskilt absolut temperatur och relativ temperatur mellan diskbänk och system, och är ofta grafisk eller genomsnittlig mot förväntade förhållanden. Prestanda för absorptionskylaggregat är vanligtvis mycket lägre, eftersom de inte är värmepumpar som är beroende av kompression, utan istället förlitar sig på kemiska reaktioner som drivs av värme.

Ekvation

Ekvationen är:

{\ displaystyle {\ rm {COP}} = {\ frac {Q} {W}}}

var

${\ displaystyle Q \}$ är den användbara värmen som levereras eller tas bort av det övervägda systemet.
${\ displaystyle W \}$ är det arbete som krävs av det övervägda systemet.

COP för uppvärmning och kylning är således olika, eftersom värmebehållaren av intresse är annorlunda. När man är intresserad av hur väl en maskin kyls, är COP förhållandet mellan värmen som tas bort från den kalla reservoaren och insatsarbetet. För uppvärmning är emellertid COP förhållandet som värmen som avlägsnas från kalltanken plus ingångsarbetet bär till ingångsarbetet:

{\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {värme}} = {\ frac {| Q_ {H} |} {W}} = {\ frac {| Q_ {C} |+W} {W }}}

{\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {kylning}} = {\ frac {| Q_ {C} |} {W}}}

var

${\ displaystyle Q_ {C} \}$ är värmen som avlägsnas från den kalla behållaren.
${\ displaystyle Q_ {H} \}$ är värmen som tillförs den varma behållaren.

Teoretiska prestandagränser

Enligt termodynamikens första lag kan vi i ett reversibelt system visa att och var överförs värmen till den heta reservoaren och är värmen som samlas in från den kalla reservoaren. Därför, genom att ersätta W, ${\ displaystyle Q_ {H} = Q_ {C}+W}$ ${\ displaystyle W = Q_ {H} -Q_ {C}}$ ${\ displaystyle Q_ {H}}$ ${\ displaystyle Q_ {C}}$

{\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {värme}} = {\ frac {Q_ {H}} {Q_ {H} -Q_ {C}}}}

För en värmepump som arbetar med maximal teoretisk verkningsgrad (dvs. Carnot -effektivitet) kan det visas att

{\ displaystyle {\ frac {Q_ {H}} {T_ {H}}} = {\ frac {Q_ {C}} {T_ {C}}}}

och

{\ displaystyle Q_ {C} = {\ frac {Q_ {H} T_ {C}} {T_ {H}}}}

var och är de termodynamiska temperaturerna för de varma respektive kalla värmebehållarna. ${\ displaystyle T_ {H}}$ ${\ displaystyle T_ {C}}$

Vid maximal teoretisk effektivitet,

{\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {värme}} = {\ frac {T_ {H}} {T_ {H} -T_ {C}}}}

vilket är lika med det ömsesidiga av den ideala verkningsgraden för en värmemotor, eftersom en värmepump är en värmemotor som arbetar i omvänd ordning. (Se värmeeffektivitet för en värmemotor.)

Observera att COP för en värmepump beror på dess riktning. Värmen som avvisas till kylflänsen är större än värmen som absorberas från den kalla källan, så uppvärmnings -COP är större med en än den kylande COP.

På samma sätt är COP för ett kylskåp eller luftkonditionering som arbetar med maximal teoretisk effektivitet,

{\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {kylning}} = {\ frac {Q_ {C}} {Q_ {H} -Q_ {C}}} = {\ frac {T_ {C}} {T_ {H} -T_ {C}}}}

${\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {värme}}}$ gäller värmepumpar och gäller luftkonditioneringar och kylskåp. Mätvärden för faktiska system kommer alltid att vara betydligt lägre än dessa teoretiska maxima. ${\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {kylning}}}$

I Europa använder standardtestförhållandena för markvärmepumpenheter 35 ° C (95 ° F) för och 0 ° C (32 ° F) för . Enligt formeln ovan skulle de maximala teoretiska COP: erna vara ${\ displaystyle {T_ {H}}}$ ${\ displaystyle {T_ {C}}}$

{\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {värme}} = {\ frac {35+273} {35}} = 8,8}

{\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {kylning}} = {\ frac {273} {35}} = 7,8}

Testresultaten för de bästa systemen är cirka 4,5. När man mäter installerade enheter under en hel säsong och tar hänsyn till den energi som behövs för att pumpa vatten genom rörsystemen, är säsongens COP för uppvärmning cirka 3,5 eller mindre. Detta indikerar utrymme för ytterligare förbättringar.

EU-standardtestförhållandena för en värmepump för luftkällor är vid torrtemperatur på 20 ° C (68 ° F) för och 7 ° C (44,6 ° F) för . Med tanke på den europeiska vintertemperaturen under noll är värmeprestanda i verkliga världen väsentligt sämre än vad vanliga COP-siffror antyder. ${\ displaystyle {T_ {H}}}$ ${\ displaystyle {T_ {C}}}$

Förbättra COP

Som formeln visar kan COP för ett värmepumpsystem förbättras genom att minska temperaturgapet minus vid vilket systemet fungerar. För ett värmesystem skulle detta betyda två saker: 1) sänka utgångstemperaturen till cirka 30 ° C (86 ° F) vilket kräver golv-, vägg- eller takvärme i rörledningar eller överdimensionerat vatten till luftvärmare och 2) höjning av insignaltemperaturen ( t.ex. genom att använda en överdimensionerad markkälla eller genom tillgång till en solassisterad termisk bank). Noggrann bestämning av värmeledningsförmågan möjliggör mycket mer exakt markslinga eller borrhålstorlek, vilket resulterar i högre returtemperaturer och ett mer effektivt system. För en luftkylare kan COP förbättras genom att använda grundvatten som insats istället för luft, och genom att minska temperaturfallet på utmatningssidan genom att öka luftflödet. För båda systemen skulle också en ökning av storleken på rör och luftkanaler bidra till att minska buller och energiförbrukning för pumpar (och ventilatorer) genom att minska hastigheten på vätska som i sin tur sänker Reynolds -talet och därmed turbulensen (och bullret) och huvudförlusten (se hydraulhuvudet ). Själva värmepumpen kan förbättras genom att öka storleken på de interna värmeväxlarna som i sin tur ökar effektiviteten (och kostnaden) i förhållande till kompressorns effekt, och även genom att minska systemets interna temperaturgap över kompressorn. Uppenbarligen gör denna senare åtgärd sådana värmepumpar olämpliga för att producera höga temperaturer, vilket innebär att en separat maskin behövs för att producera varmt kranvatten. ${\ displaystyle T _ {\ text {hot}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ text {kall}}}$

COP för absorptionskylare kan förbättras genom att lägga till ett andra eller tredje steg. Dubbel- och trippeleffektkylare är betydligt effektivare än enkeleffekt och kan överstiga en COP på 1. De kräver högre tryck och högre temperatur ånga, men detta är fortfarande en relativt liten 10 pund ånga per timme per ton kylning.

Exempel

En geotermisk värmepump som arbetar med 3,5 ger 3,5 värmeenheter för varje energiförbrukningsenhet (dvs 1 kWh förbrukad skulle ge 3,5 kWh effektvärme). Utgångsvärmen kommer från både värmekällan och 1 kWh ingångsenergi, så värmekällan kyls med 2,5 kWh, inte 3,5 kWh. ${\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {värme}}}$

En värmepump med 3,5, som i exemplet ovan, kan vara billigare att använda än till och med den mest effektiva gasugnen utom i områden där elkostnaden per enhet är högre än 3,5 gånger kostnaden för naturgas (t.ex. Connecticut eller New York City ). ${\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {värme}}}$

En värmepumpskylare som arbetar med en på 2,0 tar bort 2 värmeenheter för varje energiförbrukningsenhet (t.ex. en luftkonditionering som förbrukar 1 kWh skulle ta bort 2 kWh värme från en byggnads luft). ${\ displaystyle {\ rm {COP}} _ {\ rm {kylning}}}$

Med tanke på samma energikälla och driftförhållanden kommer en högre COP -värmepump att förbruka mindre köpt energi än en med en lägre COP. Den totala miljöpåverkan från en värme- eller luftkonditioneringsanläggning beror på energikällan som används samt utrustningens COP. Driftskostnaden för konsumenten beror på energikostnaden såväl som COP eller enhetens effektivitet. Vissa områden ger två eller flera energikällor, till exempel naturgas och el. En hög COP för en värmepump övervinner kanske inte helt en relativt hög kostnad för el jämfört med samma värmevärde från naturgas.

Till exempel var USA: s genomsnittspris 2009 per term (100 000 brittiska termiska enheter (29 kWh)) el 3,38 dollar medan genomsnittspriset per term för naturgas var 1,16 dollar. Med hjälp av dessa priser skulle en värmepump med en COP på 3,5 i måttligt klimat kosta $ 0,97 för att ge en värme, medan en högeffektiv gasugn med 95% effektivitet skulle kosta $ 1,22 för att ge en värme. Med dessa genomsnittspriser kostar värmepumpen 20% mindre för att ge samma mängd värme.

COP av en värmepump eller ett kylskåp drifts på Carnot-effektivitet har i sin nämnare uttrycket T _H - T _C . När omgivningen svalnar (T _C -reducerande) ökar nämnaren och COP minskar. Därför, ju kallare omgivningen, desto lägre COP för någon värmepump eller kylskåp. Om omgivningen svalnar, säg till -18 ° C, faller COP i värde under 3,5. Sedan kostar samma system lika mycket att driva som en effektiv gasvärmare. De årliga besparingarna beror på den faktiska kostnaden för el och naturgas, som båda kan variera mycket.

Exemplet ovan gäller endast för en värmepump med luftvärme . Exemplet ovan antar att värmepumpen är en luftvärmepump som flyttar värme från utsidan till insidan, eller en vattenvärmepump som helt enkelt flyttar värme från en zon till den andra. För en värmepump med vattenkälla skulle detta endast inträffa om den momentana värmebelastningen på kondensvattensystemet exakt matchar den momentana kylbelastningen på kondensorvattensystemet. Detta kan hända under axelsäsongen (vår eller höst), men är osannolikt i mitten av uppvärmningssäsongen. Om mer värme dras tillbaka av värmepumparna som är i uppvärmningsläge än som tillförs av värmepumparna som är i kylläge, kommer pannan (eller annan värmekälla) att tillföra värme till kondensorvattensystemet. Energiförbrukningen och kostnaden för pannan måste beaktas i jämförelsen ovan. För ett vattenkällsystem finns det också energi kopplad till kondensatorns vattenpumpar som inte beaktas i värmepumpens energiförbrukning i exemplet ovan.

Säsongseffektivitet

En realistisk indikation på energieffektivitet under ett helt år kan uppnås genom att använda säsongsbetonad COP eller säsongens prestationskoefficient (SCOP) för värme. Säsongens energieffektivitetsförhållande (SEER) används mest för luftkonditionering. SCOP är en ny metod som ger en bättre indikation på förväntade verkliga prestanda. Att använda COP kan övervägas med hjälp av den "gamla" skalan. Säsongseffektivitet ger en indikation på hur effektivt en värmepump fungerar under en hel kyl- eller uppvärmningssäsong.

Se även

Säsongens energieffektivitetsförhållande (SEER)
Säsongens lagring av termisk energi (STES)
Uppvärmning säsongsprestanda (HSPF)
Effektanvändningseffektivitet (PUE)
Värmeeffektivitet
Ångkompressionskylning
Luftkonditionering
VVS

Languages

In other projects