Coeficiente de rendimiento

El coeficiente de rendimiento o COP (a veces CP o CoP ) de una bomba de calor, un refrigerador o un sistema de aire acondicionado es una relación entre la calefacción o refrigeración útil proporcionada y el trabajo (energía) requerido. ^{[1] [2]} Un COP más alto equivale a una mayor eficiencia, un menor consumo de energía (potencia) y, por lo tanto, menores costos operativos. El COP se utiliza en termodinámica .

El COP suele ser superior a 1, especialmente en bombas de calor, porque en lugar de simplemente convertir trabajo en calor (que, si fuera 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 3,5 a 5. ^[3] Se requiere menos trabajo para mover calor que para la conversión 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.

El COP depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento, especialmente de la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el disipador y el sistema, y ​​a menudo se grafica o se promedia frente a las condiciones esperadas. ^[4]

El rendimiento de los enfriadores de refrigeración por 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. ^[5]

La ecuación es:

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

dónde

• ${\estilo de visualización Q\}$es el calor útil suministrado o eliminado por el sistema considerado (máquina).
• ${\estilo de visualización W>0\ }$es el trabajo neto introducido en el sistema considerado en un ciclo.

Los coeficientes de rendimiento de calefacción y refrigeración son diferentes porque el depósito de calor de interés es diferente. Cuando uno está interesado en lo bien que se enfría una máquina, el coeficiente de rendimiento es la relación entre el calor absorbido del depósito frío y el trabajo de entrada. Sin embargo, para la calefacción, el coeficiente de rendimiento es la relación entre la magnitud del calor cedido al depósito caliente (que es el calor absorbido del depósito frío más el trabajo de entrada) y el trabajo de entrada:

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

${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {calefacción}}={\frac {|Q_{\rm {H}}|}{W}}={\frac {Q_{\rm {C}}+W}{W}}={\rm {COP}}_{\rm {enfriamiento}}+1}$

dónde

• ${\displaystyle Q_{\rm {C}}>0\ }$es el calor que se extrae del depósito frío y se agrega al sistema;
• ${\displaystyle Q_{\rm {H}}<0\ }$es el calor cedido al depósito caliente; el sistema lo pierde y, por lo tanto, es negativo ^[6] (ver calor ).

Tenga en cuenta que el COP de una bomba de calor depende de su dirección. El calor rechazado hacia el disipador de calor es mayor que el calor absorbido desde la fuente de frío, por lo que el COP de calefacción es mayor en uno que el COP de refrigeración.

Según la primera ley de la termodinámica , después de un ciclo completo del proceso y por lo tanto , . Como , obtenemos${\displaystyle Q_{\rm {H}}+Q_{\rm {C}}+W=\Delta _{\rm {ciclo}}U=0}$${\displaystyle W=-\ Q_{\rm {H}}-Q_{\rm {C}}}$
${\displaystyle |Q_{\rm {H}}|=-Q_{\rm {H}}\ }$

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

Para una bomba de calor que funciona a máxima eficiencia teórica (es decir, eficiencia de Carnot ), se puede demostrar ^{[7] [6]} que

${\displaystyle {\frac {Q_{\rm {H}}}{T_{\rm {H}}}}+{\frac {Q_{\rm {C}}}{T_{\rm {C}}}}=0}$ y por lo tanto ${\displaystyle Q_{\rm {C}}=-{\frac {Q_{\rm {H}}T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}}$

donde y son las temperaturas termodinámicas de los depósitos de calor caliente y frío, respectivamente.${\displaystyle T_{\rm {H}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$

Por lo tanto, con la máxima eficiencia teórica

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

que es igual al recíproco de la eficiencia térmica de un motor térmico ideal , porque una bomba de calor es un motor térmico que funciona en sentido inverso. ^[8]

De manera similar, el COP de un refrigerador o un acondicionador de aire que funciona a la máxima eficiencia teórica,

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

${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {heating}}}$Se aplica a las bombas de calor y a los acondicionadores de aire y refrigeradores. Los valores medidos para los sistemas reales siempre serán significativamente menores que estos máximos teóricos.${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {cooling}}}$

En Europa, las condiciones de prueba estándar para las unidades de bomba de calor de fuente terrestre utilizan 308 K (35 °C; 95 °F) para y 273 K (0 °C; 32 °F) para . Según la fórmula anterior, los COP teóricos máximos serían ${\displaystyle {T_{\rm {H}}}}$${\displaystyle {T_{\rm {C}}}}$

${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {heating}}={\frac {308}{308-273}}=8.8}$

${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {cooling}}={\frac {273}{308-273}}=7.8}$

Los resultados de las pruebas de los mejores sistemas rondan el 4,5. Si 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 rondan el 3,5 o menos. Esto indica que hay margen para seguir mejorando.

Las condiciones de prueba estándar de la UE para una bomba de calor de fuente de aire son una temperatura de bulbo seco de 20 °C (68 °F) para y 7 °C (44,6 °F) para . ^[9] Dadas las temperaturas invernales europeas bajo cero, el rendimiento de calefacción en el mundo real es significativamente peor de lo que implican dichas cifras COP estándar.${\displaystyle {T_{\rm {H}}}}$${\displaystyle {T_{\rm {C}}}}$

Como muestra la fórmula, el COP de un sistema de bomba de calor se puede mejorar reduciendo la diferencia de temperatura en la que funciona el sistema. Para un sistema de calefacción, esto significaría dos cosas:${\displaystyle (\Delta T=T_{\text{hot}}-T_{\text{cold}})}$

1. Reducir la temperatura de salida a alrededor de 30 °C (86 °F), lo que requiere calefacción por tuberías en el piso, la pared o el techo, o calentadores de agua a aire de gran tamaño.
2. Aumentar la temperatura de entrada (por ejemplo, utilizando una fuente terrestre de gran tamaño o mediante el acceso a un banco térmico asistido por energía solar ^[10] ).

La determinación precisa de la conductividad térmica permitirá un dimensionamiento mucho más preciso del bucle de tierra ^{[11] o del pozo, [12]} lo que da 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, también aumentar 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 se puede mejorar 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 brecha de temperatura interna del sistema sobre el compresor. Obviamente, esta última medida hace que algunas bombas de calor no sean adecuadas para producir altas temperaturas, lo que significa que se necesita una máquina separada para producir, por ejemplo, agua caliente del grifo.

El COP de los enfriadores de absorción se puede mejorar añadiendo una segunda o tercera etapa. Los enfriadores de doble y triple efecto son significativamente más eficientes que los de efecto simple y pueden superar un COP de 1. Requieren mayor presión y mayor temperatura del vapor, pero esto sigue siendo relativamente pequeño: 10 libras de vapor por hora por tonelada de enfriamiento. ^[13]

Se puede lograr una indicación realista de la eficiencia energética a lo largo de un año entero utilizando el COP estacional o el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) para la calefacción. El índice de eficiencia energética estacional (SEER) se utiliza principalmente para el aire acondicionado. El SCOP es una nueva metodología que da una mejor indicación del rendimiento real esperado; el COP puede considerarse utilizando la escala "antigua". La eficiencia estacional da una indicación de la eficiencia con la que funciona una bomba de calor a lo largo de toda una temporada de refrigeración o calefacción. ^[14]

• Índice de eficiencia energética estacional (SEER)
• Almacenamiento de energía térmica estacional (STES)
• Factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF)
• Eficacia en el uso de energía (PUE)
• Eficiencia térmica
• Refrigeración por compresión de vapor
• Acondicionador de aire
• Climatización

• Discusión sobre los cambios en el COP de una bomba de calor en función de las temperaturas de entrada y salida
• Véase la definición de COP en el Cap. XII del libro Gestión de la Energía Industrial - Principios y Aplicaciones ^{[ enlace muerto permanente ]}