Performans katsayısı - Coefficient of performance

Performans katsayısı ya da COP (bazen CP ya da COP a) ısı pompası, buzdolabı veya klima sisteminde yararlı bir ısıtma oranı veya iş (enerji) sağlanan gerekli soğutma. Daha yüksek COP'ler, daha yüksek verimlilik, daha düşük enerji (güç) tüketimi ve dolayısıyla daha düşük işletme maliyetleri anlamına gelir. COP, özellikle ısı pompalarında genellikle 1'i aşar, çünkü sadece işi ısıya dönüştürmek yerine (%100 verimli olsaydı, COP 1 olur), bir ısı kaynağından ısının gerekli olduğu yere ek ısı pompalar. . Çoğu klimanın COP değeri 2,3 ila 3,5 arasındadır. Isıyı ısıya dönüştürmek için gerekenden daha az iş gerekir ve bu nedenle ısı pompaları, klimalar ve soğutma sistemleri birden fazla performans katsayısına sahip olabilir. Ancak bu, %100'den fazla verimli oldukları anlamına gelmez, başka bir deyişle, hiçbir ısı makinesinin ısıl verimi %100 veya daha fazla olamaz. Komple sistemler için COP hesaplamaları, tüm güç tüketen yardımcıların enerji tüketimini içermelidir. COP, çalışma koşullarına, özellikle de lavabo ile sistem arasındaki mutlak sıcaklığa ve bağıl sıcaklığa büyük ölçüde bağlıdır ve genellikle beklenen koşullara göre grafiği çizilir veya ortalaması alınır. Absorpsiyonlu soğutucu soğutucuların performansı, sıkıştırmaya dayalı ısı pompaları olmadıklarından, bunun yerine ısı tarafından yürütülen kimyasal reaksiyonlara dayandıklarından, tipik olarak çok daha düşüktür.

Denklem

Denklem:

nerede

  • dikkate alınan sistem tarafından sağlanan veya uzaklaştırılan faydalı ısıdır .
  • olan eser dikkate alınan sistemin ihtiyaç duyduğu.

Isıtma ve soğutma için COP bu nedenle farklıdır, çünkü ilgilenilen ısı rezervuarı farklıdır. Bir makinenin ne kadar iyi soğuduğuyla ilgilenildiğinde, COP, soğuk rezervuardan çıkan ısının giriş işine oranıdır. Bununla birlikte, ısıtma için, COP, soğuk rezervuardan çıkarılan ısı artı giriş işinin giriş işine olan oranıdır:

nerede

  • soğuk rezervuardan çıkarılan ısıdır.
  • sıcak rezervuara verilen ısıdır.

Teorik performans sınırları

Göre termodinamiğin birinci yasası , bir geri dönüşümlü sistemde bunu gösterebiliriz ve nerede sıcak hazneye aktarılır ısı ve soğuk rezervuar toplanan ısı olduğunu. Bu nedenle, W yerine,

Maksimum teorik verimlilikte (yani Carnot verimliliği) çalışan bir ısı pompası için şu şekilde gösterilebilir:

ve

burada ve vardır termodinamik sıcaklıklar sıcak ve soğuk ısı rezervuar sırası ile.

Maksimum teorik verimlilikte,

bu, bir ısı motoru için ideal verimliliğin tersine eşittir, çünkü bir ısı pompası, tersine çalışan bir ısı motorudur. ( Bir ısı motorunun termal verimliliğine bakın .)

Bir ısı pompasının COP'sinin yönüne bağlı olduğunu unutmayın. Sıcak alıcıya verilen ısı, soğuk kaynaktan emilen ısıdan daha büyüktür, bu nedenle ısıtma COP'si, soğutma COP'sinden bir kat fazladır.

Benzer şekilde, maksimum teorik verimlilikte çalışan bir buzdolabı veya klimanın COP'si,

ısı pompaları için geçerlidir ve klimalar ve buzdolapları için geçerlidir. Gerçek sistemler için ölçülen değerler her zaman bu teorik maksimum değerlerden önemli ölçüde daha az olacaktır.

Avrupa'da, toprak kaynaklı ısı pompası üniteleri için standart test koşulları, için 35 °C (95 °F) ve için 0 °C (32 °F) kullanır . Yukarıdaki formüle göre, maksimum teorik COP'ler


En iyi sistemlerin test sonuçları 4.5 civarındadır. Tüm bir sezon boyunca kurulu üniteleri ölçerken ve boru sistemlerinden su pompalamak için gereken enerjiyi hesaba katarken, ısıtma için mevsimsel COP'ler yaklaşık 3,5 veya daha azdır. Bu, daha fazla iyileştirme için yer olduğunu gösterir.


Bir hava kaynaklı ısı pompası için AB standart test koşulları, için 20 °C (68 °F) ve 7 °C (44,6 °F) kuru termometre sıcaklığındadır . Sıfırın altındaki Avrupa kış sıcaklıkları göz önüne alındığında, gerçek dünya ısıtma performansı, bu tür standart COP rakamlarının ima ettiğinden çok daha zayıftır.

COP'nin iyileştirilmesi

Formülün gösterdiği gibi, bir ısı pompası sisteminin COP'si , sistemin çalıştığı sıcaklık aralığı eksi eksiltilerek iyileştirilebilir . Bir ısıtma sistemi için bu iki anlama gelir: 1) borulu zeminden, duvardan veya tavandan ısıtma veya aşırı büyük su ile hava ısıtıcıları gerektiren çıkış sıcaklığını yaklaşık 30 °C'ye (86 °F) düşürmek ve 2) giriş sıcaklığını artırmak ( örneğin büyük boyutlu bir toprak kaynağı kullanarak veya güneş enerjisi destekli bir termal bankaya erişim yoluyla). Termal iletkenliğin doğru bir şekilde belirlenmesi , daha yüksek dönüş sıcaklıkları ve daha verimli bir sistem ile sonuçlanan çok daha hassas toprak döngüsü veya sondaj deliği boyutlandırmasına izin verecektir. Bir hava soğutucusu için COP, hava yerine giriş olarak yeraltı suyu kullanılarak ve hava akışını artırarak çıkış tarafındaki sıcaklık düşüşünü azaltarak iyileştirilebilir. Her iki sistem için de boruların ve hava kanallarının boyutunun arttırılması, akışkanın hızını azaltarak gürültünün ve pompaların (ve vantilatörlerin) enerji tüketiminin azaltılmasına yardımcı olacaktır, bu da Reynolds sayısını ve dolayısıyla türbülansı (ve gürültüyü) düşürür ve yük kaybı (bkz. hidrolik yük ). Isı pompasının kendisi , kompresörün gücüne göre verimliliği (ve maliyeti) artıran dahili ısı eşanjörlerinin boyutunu artırarak ve ayrıca sistemin kompresör üzerindeki dahili sıcaklık aralığını azaltarak geliştirilebilir. Açıktır ki, bu son önlem, bu tür ısı pompalarını yüksek sıcaklıklar üretmek için uygunsuz hale getirir, bu da sıcak musluk suyu üretmek için ayrı bir makinenin gerekli olduğu anlamına gelir.

Absorpsiyonlu soğutucuların COP'si, ikinci veya üçüncü bir aşama eklenerek iyileştirilebilir. Çift ve üçlü etkili soğutma grupları, tek etkiden önemli ölçüde daha verimlidir ve 1'lik bir COP'yi geçebilirler. Daha yüksek basınç ve daha yüksek sıcaklıkta buhar gerektirirler, ancak bu yine de, ton soğutma başına saatte 10 pound'luk nispeten küçük bir buhardır.

Örnek

3,5'te çalışan bir jeotermal ısı pompası , tüketilen her bir enerji birimi için 3,5 birim ısı sağlar (yani tüketilen 1 kWh, 3,5 kWh çıkış ısısı sağlar). Çıkış ısısı hem ısı kaynağından hem de 1 kWh giriş enerjisinden gelir, bu nedenle ısı kaynağı 3,5 kWh değil 2,5 kWh soğutulur.

Yukarıdaki örnekte olduğu gibi 3,5'lik bir ısı pompasının kullanımı, birim başına elektrik maliyetinin doğal gaz maliyetinin 3,5 katından daha yüksek olduğu alanlar (örneğin Connecticut veya New York Şehri ).

2.0'da çalışan bir ısı pompası soğutucusu, tüketilen her birim enerji için 2 birim ısıyı uzaklaştırır (örneğin, 1 kWh tüketen bir klima , bir binanın havasından 2 kWh ısıyı uzaklaştırır).

Aynı enerji kaynağı ve çalışma koşulları göz önüne alındığında, daha yüksek bir COP ısı pompası, daha düşük bir COP'ye sahip olandan daha az satın alınan enerji tüketecektir. Bir ısıtma veya klima tesisatının genel çevresel etkisi, kullanılan enerji kaynağına ve ekipmanın COP'sine bağlıdır. Tüketiciye yönelik işletme maliyeti, enerji maliyetinin yanı sıra ünitenin COP'sine veya verimliliğine de bağlıdır. Bazı alanlar, örneğin doğal gaz ve elektrik gibi iki veya daha fazla enerji kaynağı sağlar. Bir ısı pompasının yüksek COP'si, doğal gazdan elde edilen aynı ısıtma değerine kıyasla, elektrik için nispeten yüksek bir maliyetin tamamen üstesinden gelmeyebilir.

Örneğin, 2009 ABD'de termik (100.000 İngiliz termik birimi (29 kWh)) ortalama elektrik fiyatı 3,38$ iken, termik doğalgazın ortalama fiyatı 1,16$'dı. Bu fiyatları kullanarak, ılıman iklimde COP'si 3,5 olan bir ısı pompasının bir dönemlik ısı sağlaması 0,97 ABD dolarına mal olurken, %95 verimliliğe sahip yüksek verimli bir gazlı fırının bir dönemlik ısı sağlaması 1,22 ABD dolarına mal olacaktır. Bu ortalama fiyatlar ile ısı pompası aynı miktarda ısıyı sağlamak için %20 daha az maliyetlidir.

Carnot verimliliğinde çalışan bir ısı pompasının veya buzdolabının COP'sinin paydasında T H  - T C ifadesi bulunur . Çevresi soğurken (T Cı- payda artar azaltılması) ve COP azaltır. Bu nedenle, ortam ne kadar soğuksa, herhangi bir ısı pompasının veya buzdolabının COP'si o kadar düşük olur. Çevre soğursa, diyelim ki 0 °F (-18 °C), COP değeri 3.5'in altına düşer. O halde, aynı sistemin verimli bir gazlı ısıtıcı olarak çalışması kadar maliyeti vardır. Yıllık tasarruf, her ikisi de büyük ölçüde değişebilen gerçek elektrik ve doğal gaz maliyetine bağlı olacaktır.

Yukarıdaki örnek sadece hava kaynaklı ısı pompası için geçerlidir . Yukarıdaki örnekte, ısı pompasının, ısıyı dışarıdan içeriye taşıyan hava kaynaklı bir ısı pompası veya ısıyı bir bölgeden diğerine hareket ettiren su kaynaklı bir ısı pompası olduğu varsayılmaktadır. Su kaynaklı bir ısı pompası için bu, yalnızca yoğuşturucu su sistemindeki anlık ısıtma yükü, yoğuşturucu su sistemindeki anlık soğutma yüküyle tam olarak eşleşirse gerçekleşir. Bu, omuz mevsiminde (ilkbahar veya sonbahar) olabilir, ancak ısıtma mevsiminin ortasında olası değildir. Isıtma modundaki ısı pompaları tarafından soğutma modundaki ısı pompaları tarafından eklenenden daha fazla ısı çekilirse, kazan (veya başka bir ısı kaynağı) kondenser su sistemine ısı ekleyecektir. Kazanla ilgili enerji tüketimi ve maliyetin yukarıdaki karşılaştırmaya dahil edilmesi gerekir. Bir su kaynaklı sistem için, yukarıdaki örnekte ısı pompası enerji tüketimine dahil edilmeyen kondenser su pompalarıyla ilişkili enerji de vardır.

Mevsimsel verimlilik

Tüm bir yıl boyunca gerçekçi bir enerji verimliliği göstergesi, ısı için mevsimsel COP veya mevsimsel performans katsayısı (SCOP) kullanılarak elde edilebilir. Mevsimsel enerji verimliliği oranı (SEER) daha çok iklimlendirme için kullanılmaktadır. SCOP, beklenen gerçek yaşam performansının daha iyi bir göstergesini veren yeni bir metodolojidir, COP kullanımı "eski" ölçek kullanılarak düşünülebilir. Mevsimsel verimlilik, bir ısı pompasının tüm soğutma veya ısıtma mevsimi boyunca ne kadar verimli çalıştığının bir göstergesidir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Dış bağlantılar