Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Коэффициент полезного действия или COP (иногда CP или CoP ) теплового насоса, холодильника или системы кондиционирования воздуха представляет собой отношение полезного нагрева или охлаждения, обеспечиваемого к требуемой работе (энергии). [1] [2]Более высокие значения COP означают более высокую эффективность, более низкое потребление энергии (мощности) и, следовательно, более низкие эксплуатационные расходы. КПД обычно превышает 1, особенно в тепловых насосах, потому что вместо простого преобразования работы в тепло (что при 100% эффективности будет КПД равным 1), он перекачивает дополнительное тепло от источника тепла туда, где оно требуется. . Для перемещения тепла требуется меньше работы, чем для преобразования в тепло, поэтому тепловые насосы, кондиционеры и системы охлаждения могут быть более чем на 100% эффективными. 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 чиллеров абсорбционных холодильников, как правило, намного ниже, поскольку они не являются тепловыми насосами, работающими на сжатие, а вместо этого полагаются на химические реакции, вызываемые теплом.

Уравнение [ править ]

Уравнение:

где

  • полезное тепло, подводимое или отводимое рассматриваемой системой.
  • - работа, которую требует рассматриваемая система.

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 из холодного резервуара, к затраченной работе. Однако для отопления COP - это отношение тепла, отведенного от холодного резервуара, плюс входная работа к входной работе:

где

  • тепло отводится от холодного резервуара.
  • - тепло, подводимое к горячему резервуару.

Вывод [ править ]

Согласно первому закону термодинамики , в обратимой системе мы можем показать, что и , где тепло, передаваемое горячему резервуару, а тепло, собираемое из холодного резервуара. Следовательно, подставляя W,

Для теплового насоса, работающего с максимальной теоретической эффективностью (т.е. КПД Карно), можно показать, что

и

где и - термодинамические температуры горячего и холодного тепловых резервуаров соответственно.

При максимальной теоретической эффективности

который равен обратной величине идеального КПД теплового двигателя, поскольку тепловой насос - это тепловой двигатель, работающий в обратном направлении. (См. Термический КПД теплового двигателя.)

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

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

применяется к тепловым насосам и применяется к кондиционерам и холодильникам. Значения для реальных систем всегда будут меньше этих теоретических максимумов. В Европе стандартные тесты для тепловых насосов с грунтовым источником используют температуру 35 ° C (95 ° F) для и 0 ° C (32 ° F) для . Согласно приведенной выше формуле, максимально достижимый COP будет 7,8. Результаты тестирования лучших систем составляют около 4,5. При измерении установленных единиц в течение всего сезона и учете энергии, необходимой для прокачки воды по трубопроводным системам, сезонный КПД составляет около 3,5 или меньше. Это указывает на возможность улучшения.[4] COP кондиционера с источником воздуха рассчитывается с использованием температуры по сухому термометру : 20 ° C (68 ° F) для и 7 ° C (44,6 ° F) для .[5]

Улучшение COP [ править ]

По мере того как формула показывает, КС системы теплового насоса может быть улучшена за счет снижения температуры зазора минус , при котором работает система. Для системы отопления это будет означать две вещи: 1) снижение температуры на выходе примерно до 30 ° C (86 ° F), что требует трубопроводного отопления пола, стен или потолка или слишком большого количества воды для воздухонагревателей, и 2) повышение температуры на входе ( например, с помощью негабаритного наземного источника или доступа к солнечному тепловому банку [6] ). Точное определение теплопроводности позволит более точно определить контур заземления [7] или размер ствола скважины, [8]что приводит к более высоким температурам возврата и более эффективной системе. Для воздухоохладителя COP можно было бы улучшить, используя грунтовые воды в качестве входа вместо воздуха, а также уменьшив падение температуры на выходной стороне за счет увеличения воздушного потока. Для обеих систем также 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. гидравлический напор ). 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. Для них 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 [ править ]

Геотермальной тепловой насос , работающий при 3.5 обеспечивает 3,5 единиц тепла для каждой единицы потребляемой энергии (т.е. 1 кВт - ч , потребляемые обеспечит 3,5 кВт - ч тепловой мощности). Тепло на выходе 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 коэффициентом 3,5, такой как в приведенном выше примере, может быть менее дорогим в использовании, чем даже самая эффективная газовая печь, за исключением регионов, где стоимость электроэнергии на единицу выше, чем в 3,5 раза выше стоимости природного газа (например, Коннектикут или Нью-Йорк ).

Охладитель теплового насоса, работающий при a 2,0, отводит 2 единицы тепла на каждую единицу потребляемой энергии (например, кондиционер, потребляющий 1 кВтч, отводит 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 эффективности устройства. Некоторые районы предоставляют два или более источника энергии, например, природный газ и электричество. Высокий КПД теплового насоса не может 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, тогда как средняя цена за терм природного газа составляла 1,16 доллара. [10] Используя эти цены, тепловой насос с КПД 3,5 в умеренном климате будет стоить 0,97 доллара [11] для обеспечения одного теплового тепла, в то время как высокоэффективная газовая печь с КПД 95% будет стоить 1,22 доллара [12], чтобы обеспечить его. терм тепла. При таких средних ценах тепловой насос стоит на 20% меньше [13], чтобы обеспечить такое же количество тепла.

КС теплового насоса или холодильник , работающий при КПД Карно имеет в своем знаменателе выражения Т H  - T C . По мере охлаждения окружающей среды ( уменьшение T C ) знаменатель увеличивается, а COP уменьшается. Следовательно, чем холоднее в окружающей среде, тем ниже КПД любого теплового насоса или холодильника. Если окружающая среда остынет, скажем, до 0 ° F (-18 ° C), значение COP упадет 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 совпадает с мгновенной охлаждающей нагрузкой на водяную систему конденсатора. Это может произойти в межсезонье (весной или осенью), но маловероятно в середине отопительного сезона. Если тепловые насосы, работающие в режиме нагрева, забирают больше тепла, чем добавляется тепловыми насосами, находящимися в режиме охлаждения, то бойлер (или другой источник тепла) будет добавлять тепло 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 [ править ]

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 можно рассматривать с использованием «старой» шкалы. Сезонная эффективность показывает, насколько эффективно тепловой насос работает в течение всего периода охлаждения или отопления. [14]

См. Также [ править ]

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

Заметки [ править ]

  1. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 24 января 2013 года . Проверено 16 октября 2013 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  2. ^ «COP (коэффициент полезного действия)» . us.grundfos.com . Проверено 8 апреля 2019 .
  3. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 07 января 2009 года . Проверено 16 октября 2013 . CS1 maint: archived copy as title (link)
  4. ^ Borgnakke, С, & Sonntag, R. (2013). Второй закон термодинамики. В Основах термодинамики (8-е изд., Стр. 244-245). Вайли.
  5. ^ Согласно ДЕЛЕГАТИВНОМУ ПОЛОЖЕНИЮ КОМИССИИ Европейского Союза (ЕС) № 626/2011 ПРИЛОЖЕНИЕ VII, таблица 2
  6. ^ «Тепловые банки хранят тепло между сезонами | Сезонное хранение тепла | Перезаряжаемые тепловые батареи | Хранение энергии | Термогеология | UTES | Солнечная подзарядка тепловых батарей» . www.icax.co.uk . Проверено 8 апреля 2019 .
  7. ^ "Испытание теплопроводности почвы" . Консультации по углеродному нулю . Проверено 8 апреля 2019 .
  8. ^ "Жизнеспособность и дизайн GSHC" . Консультации по углеродному нулю . Проверено 8 апреля 2019 .
  9. ^ Отделение офиса передового производства энергии. Бумага DOE / GO-102012-3413. Январь 2012 г.
  10. ^ На основе средних цен 11,55 цента за кВтч на электроэнергию [1] и 13,68 долларов за 1000 кубических футов (28 м 3 ) для природного газа [2] Архивировано 21 мая 2009 г.на Wayback Machine , и коэффициенты пересчета 29,308 кВтч за терм и 97,2763 кубических футов (2,75456 м 3 ) на терм [3] .
  11. ^ 3,38 долл. США / 3,5 ~ 0,97 долл. США
  12. ^ 1,16 долл. США / 0,95–1,22 долл. США
  13. ^ (1,16–0,95 долл. США) / 1,16 долл. США ~ 20%
  14. ^ «Новая эра сезонной эффективности началась» (PDF) . Daikin.co.uk . Daikin. Архивировано из оригинального (PDF) 31 июля 2014 года . Проверено 31 марта 2015 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • 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 ]