Coeficiente de rendimiento - Coefficient of performance

El coeficiente de rendimiento o COP (a veces CP o CoP ) de una bomba de calor, un frigorífico o un sistema de aire acondicionado es una relación entre la calefacción o la refrigeración útil que se proporciona al trabajo (energía) necesaria. COP más altos equivalen a una mayor eficiencia, menor consumo de energía (potencia) y, por lo tanto, menores costos operativos. El COP generalmente excede 1, especialmente en bombas de calor, porque, en lugar de simplemente convertir el trabajo en calor (que, si es 100% eficiente, sería un COP de 1), bombea calor adicional desde una fuente de calor hacia donde se requiere el calor. . La mayoría de los acondicionadores de aire tienen un COP de 2,3 a 3,5. Se requiere menos trabajo para mover el calor que para convertirlo en calor, y debido a esto, las bombas de calor, los acondicionadores de aire y los sistemas de refrigeración pueden tener un coeficiente de rendimiento mayor que uno. Sin embargo, esto no significa que sean más del 100% eficientes, en otras palabras, ningún motor térmico puede tener una eficiencia térmica del 100% o más. Para sistemas completos, los cálculos de COP deben incluir el consumo de energía de todos los auxiliares que consumen energía. El COP depende en gran medida de las condiciones operativas, especialmente la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el sumidero y el sistema, y ​​a menudo se representa gráficamente o se promedia contra las condiciones esperadas. El rendimiento de las enfriadoras frigoríficas de absorción suele ser mucho menor, ya que no son bombas de calor que dependen de la compresión, sino que dependen de reacciones químicas impulsadas por el calor.

Ecuación

La ecuación es:

dónde

  • es el calor útil suministrado o eliminado por el sistema considerado.
  • es el trabajo requerido por el sistema considerado.

Por tanto, el COP para calefacción y refrigeración es diferente, porque el depósito de calor de interés es diferente. Cuando uno está interesado en qué tan bien se enfría una máquina, el COP es la relación entre el calor extraído del depósito frío y el trabajo de entrada. Sin embargo, para la calefacción, el COP es la relación entre el calor extraído del depósito frío más el trabajo de entrada y el trabajo de entrada:

dónde

  • es el calor extraído del depósito frío.
  • es el calor suministrado al depósito caliente.

Límites teóricos de rendimiento

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica , en un sistema reversible podemos mostrar que y , donde se transfiere el calor al depósito caliente y es el calor recogido del depósito frío. Por lo tanto, sustituyendo W,

Para una bomba de calor que funciona con la máxima eficiencia teórica (es decir, la eficiencia de Carnot), se puede demostrar que

y

donde y son las temperaturas termodinámicas de los depósitos de calor frío y caliente respectivamente.

Con la máxima eficiencia teórica,

que es igual al recíproco de la eficiencia ideal para un motor térmico, porque una bomba de calor es un motor térmico que funciona a la inversa. (Ver eficiencia térmica de un motor térmico).

Tenga en cuenta que el COP de una bomba de calor depende de su dirección. El calor rechazado al disipador de calor es mayor que el calor absorbido de la fuente fría, por lo que el COP de calentamiento es mayor en uno que el COP de enfriamiento.

De manera similar, el COP de un refrigerador o aire acondicionado funcionando a la máxima eficiencia teórica,

se aplica a las bombas de calor y se aplica a los acondicionadores de aire y refrigeradores. Los valores medidos para los sistemas reales siempre serán significativamente menores que estos máximos teóricos.

En Europa, las condiciones de prueba estándar para las unidades de bomba de calor de fuente terrestre usan 35 ° C (95 ° F) para y 0 ° C (32 ° F) para . Según la fórmula anterior, los COP teóricos máximos serían


Los resultados de las pruebas de los mejores sistemas están alrededor de 4.5. Cuando se miden las unidades instaladas durante toda una temporada y se tiene en cuenta la energía necesaria para bombear agua a través de los sistemas de tuberías, los COP estacionales para calefacción son de alrededor de 3,5 o menos. Esto indica que hay margen de mejora.


Las condiciones de prueba estándar de la UE para una bomba de calor con fuente de aire son a una temperatura de bulbo seco de 20 ° C (68 ° F) para y 7 ° C (44,6 ° F) para . Dadas las temperaturas invernales europeas bajo cero, el rendimiento de la calefacción en el mundo real es significativamente más pobre de lo que implican las cifras de COP estándar.

Mejorando el COP

Como muestra la fórmula, el COP de un sistema de bomba de calor se puede mejorar reduciendo la diferencia de temperatura menos a la que funciona el sistema. Para un sistema de calefacción, esto significaría dos cosas: 1) reducir la temperatura de salida a alrededor de 30 ° C (86 ° F), lo que requiere calefacción por tuberías en el piso, pared o techo, o calentadores de agua a aire sobredimensionados y 2) aumentar la temperatura de entrada ( por ejemplo, mediante el uso de una fuente terrestre de gran tamaño o mediante el acceso a un banco térmico asistido por energía solar). La determinación precisa de la conductividad térmica permitirá un tamaño de pozo o bucle de tierra mucho más preciso, lo que dará como resultado temperaturas de retorno más altas y un sistema más eficiente. Para un enfriador de aire, el COP podría mejorarse utilizando agua subterránea como entrada en lugar de aire y reduciendo la caída de temperatura en el lado de salida aumentando el flujo de aire. Para ambos sistemas, aumentar también el tamaño de las tuberías y los canales de aire ayudaría a reducir el ruido y el consumo de energía de las bombas (y ventiladores) al disminuir la velocidad del fluido, lo que a su vez reduce el número de Reynolds y, por lo tanto, la turbulencia (y el ruido) y la pérdida de carga (ver carga hidráulica ). La bomba de calor en sí puede mejorarse aumentando el tamaño de los intercambiadores de calor internos, lo que a su vez aumenta la eficiencia (y el costo) en relación con la potencia del compresor, y también reduciendo la diferencia de temperatura interna del sistema sobre el compresor. Obviamente, esta última medida hace que tales bombas de calor no sean adecuadas para producir altas temperaturas, lo que significa que se necesita una máquina separada para producir agua caliente del grifo.

El COP de los enfriadores de absorción se puede mejorar agregando una segunda o tercera etapa. Las enfriadoras de efecto doble y triple son significativamente más eficientes que las de efecto simple y pueden superar un COP de 1. Requieren una presión más alta y una temperatura más alta de vapor, pero esto sigue siendo una cantidad relativamente pequeña de 10 libras de vapor por hora por tonelada de enfriamiento.

Ejemplo

Una bomba de calor geotérmica que funciona a 3,5 proporciona 3,5 unidades de calor por cada unidad de energía consumida (es decir, 1 kWh consumido proporcionaría 3,5 kWh de calor de salida). El calor de salida proviene tanto de la fuente de calor como de 1 kWh de energía de entrada, por lo que la fuente de calor se enfría en 2,5 kWh, no en 3,5 kWh.

Una bomba de calor con 3.5, como en el ejemplo anterior, podría ser menos costosa de usar que incluso el horno de gas más eficiente, excepto en áreas donde el costo de la electricidad por unidad es superior a 3.5 veces el costo del gas natural (por ejemplo, Connecticut o Nueva York ).

Un enfriador de bomba de calor que opera a una de 2.0 elimina 2 unidades de calor por cada unidad de energía consumida (por ejemplo, un acondicionador de aire que consume 1 kWh eliminaría 2 kWh de calor del aire de un edificio).

Dada la misma fuente de energía y condiciones de operación, una bomba de calor con un COP más alto consumirá menos energía comprada que una con un COP más bajo. El impacto medioambiental global de una instalación de calefacción o aire acondicionado depende de la fuente de energía utilizada, así como del COP del equipo. El costo operativo para el consumidor depende del costo de la energía así como del COP o eficiencia de la unidad. Algunas áreas proporcionan dos o más fuentes de energía, por ejemplo, gas natural y electricidad. Es posible que un COP alto de una bomba de calor no supere por completo un costo relativamente alto de la electricidad en comparación con el mismo poder calorífico del gas natural.

Por ejemplo, el precio promedio por termia de 2009 en Estados Unidos (100,000 unidades térmicas británicas (29 kWh)) de electricidad fue de $ 3.38, mientras que el precio promedio por termia de gas natural fue de $ 1.16. Usando estos precios, una bomba de calor con un COP de 3.5 en clima moderado costaría $ 0.97 para proporcionar una termia de calor, mientras que un horno de gas de alta eficiencia con un 95% de eficiencia costaría $ 1.22 para brindar una termia de calor. Con estos precios medios, la bomba de calor cuesta un 20% menos para proporcionar la misma cantidad de calor.

El COP de una bomba de calor o de funcionamiento del refrigerador en la eficiencia de Carnot tiene en su denominador la expresión T H  - T C . A medida que el entorno se enfría ( reducción de T C ), el denominador aumenta y el COP se reduce. Por tanto, cuanto más frío sea el entorno, menor será el COP de cualquier bomba de calor o frigorífico. Si el entorno se enfría, digamos a 0 ° F (-18 ° C), el valor de COP cae por debajo de 3,5. Entonces, el mismo sistema cuesta tanto para operar como un calentador de gas eficiente. Los ahorros anuales dependerán del costo real de la electricidad y el gas natural, que pueden variar ampliamente.

El ejemplo anterior se aplica solo a una bomba de calor de fuente de aire . El ejemplo anterior supone que la bomba de calor es una bomba de calor de fuente de aire que mueve el calor de afuera hacia adentro, o una bomba de calor de fuente de agua que simplemente mueve el calor de una zona a la otra. Para una bomba de calor de fuente de agua, esto solo ocurriría si la carga de calefacción instantánea en el sistema de agua del condensador coincide exactamente con la carga de refrigeración instantánea en el sistema de agua del condensador. Esto podría suceder durante la temporada media (primavera u otoño), pero es poco probable en la mitad de la temporada de calefacción. Si las bombas de calor que están en modo de calefacción extraen más calor que el que agregan las bombas de calor que están en modo de enfriamiento, entonces la caldera (u otra fuente de calor) agregará calor al sistema de agua del condensador. El consumo de energía y el costo asociado con la caldera deberían tenerse en cuenta en la comparación anterior. Para un sistema de fuente de agua, también hay energía asociada con las bombas de agua del condensador que no se tiene en cuenta en el consumo de energía de la bomba de calor en el ejemplo anterior.

Eficiencia estacional

Se puede lograr una indicación realista de la eficiencia energética durante todo un año utilizando el COP estacional o el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) para el calor. El índice de eficiencia energética estacional (SEER) se utiliza principalmente para el aire acondicionado. SCOP es una nueva metodología que ofrece una mejor indicación del rendimiento esperado en la vida real, el uso de COP se puede considerar utilizando la escala "antigua". La eficiencia estacional da una indicación de la eficiencia con la que funciona una bomba de calor durante toda una temporada de refrigeración o calefacción.

Ver también

Notas

enlaces externos