Коэффициент производительности - Coefficient of performance

В коэффициент производительности или же КС (иногда CP или же CoP) из тепловой насос, холодильник или система кондиционирования - это отношение полезного нагрева или охлаждения к требуемой работе.^[1][2] Более высокий COP означает более низкие эксплуатационные расходы. COP обычно превышает 1, особенно в тепловых насосах, потому что вместо простого преобразования работы в тепло (что при 100% эффективности будет COP равным 1), он перекачивает дополнительное тепло от источника тепла туда, где оно требуется. . Для полных систем расчеты COP должны включать энергопотребление всех энергопотребляющих вспомогательных устройств. COP сильно зависит от рабочих условий, особенно от абсолютной температуры и относительной температуры между стоком и системой, и часто отображается на графике или усредняется относительно ожидаемых условий.^[3] Производительность Абсорбционный холодильник чиллеры, как правило, намного ниже, поскольку они не являются тепловыми насосами, работающими на сжатие, а вместо этого полагаются на химические реакции, вызываемые теплом.

Уравнение

Уравнение:

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

куда

• ${\displaystyle Q\ }$ полезный высокая температура поставляются или удаляются рассматриваемой системой.
• ${\displaystyle W\ }$ это работай требуется рассматриваемой системой.

Таким образом, COP для нагрева и охлаждения различаются, потому что интересующий тепловой резервуар отличается. Когда кто-то интересуется, насколько хорошо машина охлаждает, COP - это отношение тепла, отведенного от холодного резервуара, к входной работе. Однако для отопления COP - это отношение тепла, удаленного из холодного резервуара, плюс входная работа к входной работе:

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

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

куда

• ${\displaystyle Q_{C}\ }$ тепло отводится от холодного резервуара.
• ${\displaystyle Q_{H}\ }$ - тепло, подводимое к горячему резервуару.

Вывод

Согласно первый закон термодинамики, в обратимой системе можно показать, что ${\displaystyle Q_{H}=Q_{C}+W}$ и ${\displaystyle W=Q_{H}-Q_{C}}$, куда ${\displaystyle Q_{H}}$ тепло передается горячему резервуару и ${\displaystyle Q_{C}}$ тепло, собираемое из холодного резервуара.
Следовательно, подставляя W,

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

Для теплового насоса, работающего с максимальной теоретической эффективностью (то есть КПД Карно), можно показать, что

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

куда ${\displaystyle T_{H}}$ и ${\displaystyle T_{C}}$ являются термодинамические температуры резервуаров горячего и холодного тепла соответственно.

При максимальной теоретической эффективности

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

который равен обратной величине идеальной эффективности теплового двигателя, поскольку тепловой насос - это тепловой двигатель, работающий в обратном направлении. (Видеть тепловая эффективность теплового двигателя.)

Обратите внимание, что КПД теплового насоса зависит от его режима работы. Тепло, отбрасываемое в горячий сток, больше, чем тепло, поглощаемое от источника холода, поэтому коэффициент теплопередачи для обогрева на 1 больше, чем для охлаждения.

Точно так же COP холодильника или кондиционера, работающего с максимальной теоретической эффективностью,

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

${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {heating}}}$ применяется к тепловым насосам и ${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {cooling}}}$ распространяется на кондиционеры и холодильники. Значения для реальных систем всегда будут меньше этих теоретических максимумов. В Европе стандартные испытания для тепловых насосов с грунтовым источником используют температуру 35 ° C (95 ° F). ${\displaystyle {T_{H}}}$ и 0 ° C (32 ° F) для ${\displaystyle {T_{C}}}$. Согласно приведенной выше формуле, максимально достижимый COP будет 7,8. Результаты тестирования лучших систем составляют около 4,5. При измерении установленных единиц за весь сезон и учете энергии, необходимой для прокачки воды по трубопроводным системам, сезонный КПД составляет около 3,5 или меньше. Это указывает на возможность улучшения.^[4] КПД кондиционера воздуха рассчитывается с использованием температура по сухому термометру 20 ° C (68 ° F) для ${\displaystyle {T_{H}}}$ и 7 ° C (44,6 ° F) для ${\displaystyle {T_{C}}}$.^[5]

Улучшение COP

Как видно из формулы, КПД системы теплового насоса можно улучшить за счет уменьшения температурного разрыва. ${\displaystyle T_{hot}}$ минус ${\displaystyle T_{cold}}$ на котором работает система. Для системы отопления это будет означать две вещи: 1) снижение температуры на выходе примерно до 30 ° C (86 ° F), для чего требуется водопроводный пол, стены или потолок, или слишком большая вода для воздухонагревателей, и 2) повышение температуры на входе ( например, используя негабаритный наземный источник или доступ к солнечному тепловому банку ^[6] ). Точно определяя теплопроводность позволит намного более точный контур заземления ^[7] или размер скважины,^[8] что приводит к более высоким температурам возврата и более эффективной системе. Для воздухоохладителя COP может быть улучшен за счет использования грунтовых вод в качестве входа вместо воздуха и уменьшения перепада температуры на выходной стороне за счет увеличения воздушного потока. Для обеих систем увеличение размера труб и воздушных каналов поможет снизить шум и потребление энергии насосами (и вентиляторами) за счет уменьшения скорости жидкости, что, в свою очередь, снижает число Re и, следовательно, турбулентность (и шум) и потеря напора (см. гидравлическая головка ). Сам тепловой насос можно улучшить, увеличив размер внутренних теплообменников, что, в свою очередь, повысит эффективность (и стоимость) относительно мощности компрессора, а также за счет уменьшения внутреннего температурного разрыва системы по сравнению с компрессором. Очевидно, что эта последняя мера делает такие тепловые насосы непригодными для производства высоких температур, а это означает, что для производства горячей воды из-под крана требуется отдельная машина.

КПД абсорбционных чиллеров можно улучшить, добавив вторую или третью ступень. Чиллеры с двойным и тройным эффектом значительно более эффективны, чем с одинарным эффектом, и могут превосходить коэффициент COP, равный 1. Им требуется пар более высокого давления и более высокой температуры, но это все же относительно небольшие 10 фунтов пара в час на тонну охлаждения.^[9]

Пример

А геотермальный тепловой насос работает в ${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {heating}}}$ 3,5 обеспечивает 3,5 единицы тепла на каждую единицу потребляемой энергии (т. е. 1 потребленный кВтч обеспечивает 3,5 кВт тепла на выходе). Выходное тепло поступает как от источника тепла, так и от 1 кВтч входящей энергии, поэтому источник тепла охлаждается на 2,5 кВтч, а не на 3,5 кВтч.

Тепловой насос с ${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {heating}}}$ 3,5, например, в приведенном выше примере, может быть менее затратным в использовании, чем даже самая эффективная газовая печь, за исключением областей, где стоимость электроэнергии на единицу более чем в 3,5 раза превышает стоимость природного газа (например, Коннектикут или же Нью-Йорк ).

Охладитель теплового насоса, работающий при ${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {cooling}}}$ 2,0 удаляет 2 единицы тепла на каждую единицу потребляемой энергии (например, кондиционер потребление 1 кВтч приведет к удалению 2 кВт тепла из воздуха здания).

При том же источнике энергии и условиях эксплуатации тепловой насос с более высоким COP будет потреблять меньше энергии, чем насос с более низким COP. Общее воздействие на окружающую среду установки отопления или кондиционирования воздуха зависит от используемого источника энергии, а также от COP оборудования. Эксплуатационные расходы для потребителя зависят от стоимости энергии, а также от COP или КПД устройства. Некоторые районы предоставляют два или более источника энергии, например, природный газ и электричество. Высокий КПД теплового насоса может не полностью преодолеть относительно высокую стоимость электроэнергии по сравнению с такой же теплотворной способностью природного газа.

Например, в 2009 году средняя цена в США за терм (100 000 британских тепловых единиц (29 кВтч)) электроэнергии составляла 3,38 доллара, в то время как средняя цена за терм природного газа составляла 1,16 доллара.^[10] При таких ценах тепловой насос с COP 3,5 в умеренном климате будет стоить 0,97 доллара США.^[11] для обеспечения одного термика тепла, в то время как высокоэффективная газовая печь с КПД 95% будет стоить 1,22 доллара.^[12] чтобы обеспечить один терм тепла. При таких средних ценах тепловой насос стоит на 20% меньше.^[13] чтобы обеспечить такое же количество тепла.

КПД теплового насоса или холодильника, работающего с КПД Карно, имеет в знаменателе выражение T_ЧАС - Т_C. Как вокруг круто (T_C уменьшение) знаменатель увеличивается, а КПД уменьшается. Следовательно, чем холоднее окружающая среда, тем ниже КПД любого теплового насоса или холодильника. Если окружающая среда остынет, скажем, до 0 ° F (-18 ° C), значение COP опустится ниже 3,5. Тогда такая же система стоит столько же, сколько и эффективный газовый обогреватель. Годовая экономия будет зависеть от фактических затрат на электроэнергию и природный газ, которые могут сильно различаться.

Приведенный выше пример применим только к тепловому насосу с воздушным источником. В приведенном выше примере предполагается, что тепловой насос представляет собой тепловой насос с воздушным источником тепла, перемещающий тепло снаружи внутрь, или тепловой насос с водяным источником, который просто перемещает тепло из одной зоны в другую. Для водяного теплового насоса это может произойти только в том случае, если мгновенная тепловая нагрузка на водяную систему конденсатора точно соответствует мгновенной охлаждающей нагрузке на водяную систему конденсатора. Это может произойти в межсезонье (весной или осенью), но маловероятно в середине отопительного сезона. Если тепловые насосы, работающие в режиме обогрева, забирают больше тепла, чем добавляется тепловыми насосами, находящимися в режиме охлаждения, то бойлер (или другой источник тепла) добавит тепла в водяную систему конденсатора. Потребление энергии и затраты, связанные с котлом, должны быть учтены при приведенном выше сравнении. Для системы водоснабжения также существует энергия, связанная с водяными насосами конденсатора, которая не учитывается в потреблении энергии тепловым насосом в приведенном выше примере.

Сезонная эффективность

Реалистичного показателя энергоэффективности в течение всего года можно достичь, используя сезонный COP или сезонный коэффициент полезного действия (SCOP) для тепла. Коэффициент сезонной энергоэффективности (SEER) в основном используется для кондиционирования воздуха. SCOP - это новая методология, которая дает лучшее представление об ожидаемых реальных характеристиках, использование COP может рассматриваться с использованием «старой» шкалы. Сезонная эффективность показывает, насколько эффективно тепловой насос работает в течение всего периода охлаждения или отопления.^[14]

Смотрите также

• Коэффициент сезонной энергоэффективности (ВИДЯЩИЙ)
• Сезонное хранение тепловой энергии (СТЭС)
• Сезонный коэффициент полезного действия отопления (HSPF)
• Эффективность использования энергии (PUE)
• Тепловая эффективность
• Парокомпрессионное охлаждение
• Кондиционер
• HVAC

Примечания

1. «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-01-24. Получено 2013-10-16.
2. «КС (коэффициент полезного действия)». us.grundfos.com. Получено 2019-04-08.
3. «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-01-07. Получено 2013-10-16.
4. Borgnakke, C., & Sonntag, R. (2013). Второй закон термодинамики. В Основах термодинамики (8-е изд., С. 244-245). Вайли.
5. В соответствии с ДЕЛЕГАТИВНЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ КОМИССИИ Европейского Союза (ЕС) № 626/2011 ПРИЛОЖЕНИЕ VII, таблица 2
6. «Тепловые банки хранят тепло в межсезонье | Сезонное хранение тепла | Аккумуляторная тепловая батарея | Хранение энергии | Термогеология | УТЭС | Солнечная подзарядка тепловых батарей». www.icax.co.uk. Получено 2019-04-08.
7. «Тестирование теплопроводности почвы». Консультации по Carbon Zero. Получено 2019-04-08.
8. «Жизнеспособность и дизайн GSHC». Консультации по Carbon Zero. Получено 2019-04-08.
9. Отъезд офиса Energy Advanced Manufacturing. Бумага DOE / GO-102012-3413. Январь 2012 г.
10. На основе средних цен на электроэнергию в размере 11,55 цента за кВтч. [1] и $ 13,68 за 1000 кубических футов (28 м³) для природного газа [2] В архиве 2009-05-21 на Wayback Machine и коэффициенты пересчета 29,308 кВтч на терм и 97,2763 кубических футов (2,75456 м³) за терм [3].
11. $3.38/3.5~$0.97
12. $1.16/.95~$1.22
13. ($1.16-$0.95)/$1.16~20%
14. «Началась новая эра сезонной эффективности» (PDF). Daikin.co.uk. Daikin. Архивировано из оригинал (PDF) 31 июля 2014 г.. Получено 31 марта 2015.

внешняя ссылка

• Обсуждение изменений COP теплового насоса в зависимости от температуры на входе и выходе
• См. Определение COP в главе XII книги Industrial Energy Management - Principles and Applications.^{[постоянная мертвая ссылка ]}