El coeficiente de rendimiento o COP (a veces CP o CoP ) de una bomba de calor, refrigerador o sistema de aire acondicionado es una relación entre la calefacción o refrigeración útil proporcionada y el trabajo (energía) requerido. [1] [2] COP más altos equivalen 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 generalmente excede 1, especialmente en las bombas de calor, porque en lugar de simplemente convertir el 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 aires acondicionados 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 superior a uno.
El COP depende en gran medida de las condiciones operativas, especialmente la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el disipador y el sistema, y a menudo se representa gráficamente o se promedia con las condiciones esperadas. [3]
El rendimiento de los refrigeradores 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. [4]
La ecuación es:
dónde
Los COP para calefacción y refrigeración son diferentes porque el depósito de calor de interés es diferente. Cuando uno está interesado en qué tan bien enfría una máquina, el COP es la relación entre el calor tomado del depósito frío y el trabajo de entrada. Sin embargo, para calefacción, el COP es la relación entre la magnitud del calor emitido al depósito caliente (que es el calor tomado del depósito frío más el trabajo de entrada) y el trabajo de entrada:
dónde
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 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 así .
Ya que obtenemos
Para una bomba de calor que funciona con la máxima eficiencia teórica (es decir, eficiencia de Carnot ), se puede demostrar [6] [5] que
donde y son las temperaturas termodinámicas de los depósitos de calor frío y caliente, respectivamente.
Por lo tanto, con la máxima eficiencia teórica
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 a la inversa. [7]
De manera similar, el COP de un refrigerador o aire acondicionado que funciona a la máxima eficiencia teórica,
se aplica a bombas de calor y se aplica a aires acondicionados y refrigeradores. Los valores medidos para sistemas reales siempre serán significativamente menores que estos máximos teóricos.
En Europa, las condiciones de prueba estándar para unidades de bomba de calor geotérmica utilizan 308 K (35 °C; 95 °F) y 273 K (0 °C; 32 °F) para . Según la fórmula anterior, los COP teóricos máximos serían
Los resultados de las pruebas de los mejores sistemas rondan el 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 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) y 7 °C (44,6 °F) para . [8] Dadas las temperaturas bajo cero del invierno europeo, el rendimiento de la calefacción en el mundo real es significativamente peor de lo que implican las cifras COP estándar.
Como muestra la fórmula, el COP de un sistema de bomba de calor se puede mejorar reduciendo la diferencia de temperatura negativa 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 de piso, pared o techo, o agua de gran tamaño para calentadores de aire 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 [9] ). La determinación precisa de la conductividad térmica permitirá un bucle de tierra [10] o un tamaño del pozo mucho más preciso, [11], 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 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 tanto, la turbulencia (y el ruido). ) y la pérdida de carga (ver altura 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 las enfriadoras de absorción se puede mejorar añadiendo una segunda o tercera etapa. Los enfriadores de doble y triple efecto son significativamente más eficientes que los enfriadores de efecto simple y pueden superar un COP de 1. Requieren vapor a mayor presión y temperatura, pero esto sigue siendo relativamente pequeño, 10 libras de vapor por hora por tonelada de enfriamiento. [12]
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 brinda una mejor indicación del desempeño esperado en la vida real; se puede considerar usar COP usando 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. [13]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)ecuaciones (39), (40) y (65).
ecuación (64).