성능계수

열펌프, 냉장고 또는 에어컨 시스템의 성능 계수 또는 COP(때로는 CP 또는 CoP)는 필요한 작업(에너지)에 제공되는 유용한 난방 또는 냉방 비율이다.^[1][2] COP가 높을수록 효율성이 높아지고, 에너지(전력) 소비가 감소하며, 따라서 운영비가 절감되는 것을 의미한다. COP는 일반적으로 열펌프에서 1을 초과하는데, 이는 작업만 열로 변환하는 대신(100% 효율이 높은 경우 COP 1인 경우) 열원에서 열이 필요한 곳으로 추가 열을 펌프하기 때문이다. 대부분의 에어컨은 COP가 2.3~3.5이다. 열을 열로 변환하는 작업보다 열 이동에 필요한 작업량이 적으며, 이 때문에 열펌프, 에어컨, 냉동장치는 1개 이상의 성능계수를 가질 수 있다. 그러나 이는 100% 이상의 효율을 의미하지는 않는다. 즉, 어떤 열 엔진도 100% 이상의 열 효율을 가질 수 없다. 전체 시스템의 경우 COP 계산에는 모든 전력 소비 보조 장치의 에너지 소비량이 포함되어야 한다. COP는 작동 조건, 특히 싱크대와 시스템 사이의 절대 온도와 상대 온도에 크게 의존하며, 예상 조건에 대해 그래프를 그리거나 평균을 내는 경우가 많다.^[3] 흡수식 냉장고 냉각기의 성능은 일반적으로 훨씬 낮다. 왜냐하면 그것들은 압축에 의존하는 열펌프가 아니라 열에^{[citation needed]} 의해 움직이는 화학반응에 의존하기 때문이다.

방정식

방정식은 다음과 같다.

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

어디에

• ${\displaystyle Q}$ ${\$은(는) 고려된 시스템(기계)에 의해 공급되거나 제거된 유용한 열이다.
• > ${\$은(는) 하나의 사이클에서 고려된 시스템에 투입되는 순작업이다.

관심 열 저장소가 다르기 때문에 냉난방 COP가 다르다. 기계가 얼마나 잘 냉각되는지 관심이 있을 때 COP는 저온 저장장치에서 입력 작업까지의 열을 흡수하는 비율이다. 단, 가열 시 COP는 고온 저장소에 방출되는 열의 크기(냉간 저장소와 입력 작업에서 차지하는 열)와 입력 작업의 비율이다.

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

${\displaystyle {\rm}{COP}_{\rm {heating}={\frac {Q_{H}}}{W}}{W}}={\rm {COP}_{\rm {{c}+W}}}}={\rm {cooling}+1}{\1}$

어디에

• > ${\$은(는) 저온 저장소에서 제거하여 시스템에 추가하는 열이다.
• ${\$$H}<0\ }$은(는) 고온 저장소에 방출되는 열로, 시스템에 의해 손실되어 음극^[4](열 참조)이 된다.

열 펌프의 COP는 방향에 따라 결정된다는 점에 유의하십시오. 고온 싱크대에 전달되는 열은 냉수원에서 흡수되는 열보다 크기 때문에 가열 COP는 냉각 COP보다 1만큼 크다.

이론적 성과 한계

열역학 제1법칙에 따르면 $Q{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle H_{}}$+ ${\displaystyle Q_{}}$ C${\displaystyle {}_{}}$+ ${\displaystyle W}$ =${\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\displaystyle y_{}}$ ${\displaystyle l_{}}$ ${\displaystyle {}_{}\mathrm{U}}$ = 0 ${\displaystyle Q_{$$H}+Q_{C}+W=\Delta _{cycle}$$U=0},$ 따라서$$ $W{\displaystyle }$=${\displaystyle }$- ${\displaystyle Q_{}}$ ${\displaystyle \text{H}{}_{}}$- ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle C_{}}$ ${\$ W$=-\ Q_{H}-Q_{C$
${\displaystyle Q{}_{}}$ ${\displaystyle H_{}{}_{}}$=${\displaystyle }$- ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle H_{}}$ $displaystyle Q_{H} =-Q_{{}$이후$H}\$ $\},$ 우리는 얻는다.

${\displaystyle {\rm {COP}_{\rm {heating}}={\frac {Q_{H}{Q_{H}+Q_{C}}}}}}}$

최대 이론 효율로 작동하는 열펌프의 경우(즉, 카르노 효율)는 다음과^[5][4] 같다.

${\displaystyle {\frac {Q_{H}}{T_{H}}}+{\frac {Q_{C}}{T_{C}}}=0}$ and thus ${\displaystyle Q_{C}=-{\frac {Q_{H}T_{C}}{T_{$$H}}}$

여기서 T ${\displaystyle H_{}}$ ${\$ 스타일 $T_{H}$와 $T{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle C_{}}$ ${\$ 스타일 $T_{C}$는 각각 열역학 온도의 열역학 온도다$$.

따라서 이론적 효율을 극대화해야 한다.

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

열 펌프는 역방향으로 작동하는 열 엔진이기 때문에 이상적인 열 엔진의 열 효율의 역수 값과 같다.^[6]

이와 유사하게, 최대 이론 효율로 작동하는 냉장고나 에어컨의 COP,

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

${\displaystyle {\mathrm{C}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{O}}_{}}$ P ${\displaystyle {\mathrm{h}}_{}}$ ${\displaystyle e_{\mathrm{}}}$ ${\displaystyle {\mathrm{a}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{t}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{i}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{g}}_{}}$ ${\$은(는) 열 펌프에 적용되며$$ $C{\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{O}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{P}}_{}}$ ${\displaystyle c_{\mathrm{}}}$ ${\displaystyle {\mathrm{o}}_{}}$ o ${\displaystyle {\mathrm{o}}_{}}$ l ${\displaystyle {\mathrm{o}}_{}}$ i ${\displaystyle {\mathrm{g}}_{}}$ ${\rm {COP}_{\rm {cooling}}$은 에어컨과 냉장고에 적용된다$$. 실제 시스템의 측정값은 항상 이러한 이론적 최대치보다 현저히 작을 것이다.

유럽에서는 지상 열펌프 유닛에 대한 표준 ${\displaystyle {시험조건}_{}}$이 T H ${\$ 35°C(95°F)를 사용한다.${\displaystyle T_{}}$ C ${\$에 대한 H$}}}$과(와) 0°C(32°F$).$ 위의 공식에 따르면 최대 이론 COP는 다음과 같다.

${\displaystyle {\rm {COP}_{\rm {heating}={\frac {35+273}{35}}}=8.8}$

${\displaystyle {\rm {COP}_{\rm {cooling}={\frac {273}{35}}=7.8}$

최상의 시스템의 테스트 결과는 약 4.5이다. 전체 계절에 걸쳐 설치된 장치를 측정하고 배관 시스템을 통해 물을 펌핑하는 데 필요한 에너지를 고려할 때, 난방용 계절 COP는 약 3.5이다. 이는 추가 개선의 여지가 있음을 나타낸다.

${\displaystyle {공기}_{}}$ 공급원 열펌프의 EU 표준 시험 조건은 T $H{\displaystyle {}_{}}$ ${\$ 스타일 ${T_{$에 대해 20°C(68°F)의 건조 전구 온도에서 이루어진다.$T{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle C_{}}$ ${\$에 $대한$ H$}}}$과 7°C(44.6°F)의 경우$.$^[7] 0 이하의 유럽 겨울 온도를 감안할 때 실제 난방 성능은 그러한 표준 COP 수치가 암시하는 것보다 현저히 떨어진다.

COP 개선

공식에서 알 수 있듯이 열펌프 시스템의 COP는 시스템이 작동하는 $온도차$ T$${\$displaystyle T_{\text{hot}$ 마이너스 T ${\$를 줄임으로써 개선할 수 있다. 난방 시스템의 경우 이는 1) 바닥, 벽 또는 천장 난방 또는 공기 난방기에 과도한 크기의 물을 필요로 하는 출력 온도를 약 30°C(86°F)로 낮추고 2) 입력 온도를 증가시킨다(예: 과도한 크기의 접지원을 사용하거나 태양열 보조 열 뱅크에 접근). 열전도도를 정확하게 판단하면 훨씬 정밀한 접지루프나 보어홀 사이징이 가능해져 ^[10]복귀온도가 높아지고 시스템이 효율화된다. 공기 냉각기의 경우, COP는 공기 대신 지하수를 입력으로 사용하고, 공기 흐름을 증가시켜 출력 측의 온도 강하를 감소시킴으로써 개선할 수 있었다. 또한 두 시스템 모두에서 파이프와 공기 운하의 크기를 증가시키면 레이놀즈 수를 낮추고 난류(및 소음) 및 헤드 손실(수압 헤드 참조)을 감소시킴으로써 펌프(및 환기 장치)의 소음과 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다. 열펌프 자체는 내부 열교환기의 크기를 증가시켜 압축기의 출력에 비례하여 효율(및 비용)을 증가시키고 또한 압축기에 대한 시스템의 내부 온도차를 감소시킴으로써 개선될 수 있다. 분명히, 이 후자의 조치는 그러한 열펌프를 고온으로 만들기에 적합하지 않게 만든다. 이는 뜨거운 수돗물을 생산하기 위해 별도의 기계가 필요하다는 것을 의미한다.

흡수식 냉동기 COP는 2단계나 3단계를 추가하면 개선할 수 있다. 더블·트리플 효과 냉장기는 단일 효과에 비해 효율이 월등히 높아 COP 1을 넘어설 수 있다. 더 높은 압력과 더 높은 온도 증기가 필요하지만, 이것은 여전히 냉각 1톤당 시간당 10파운드의 상대적으로 적은 증기다.^[11]

예

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 공급되지 않은 재료는 도전하여 제거할 수 있다. (2012년 9월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

3.5의$$ C $O{\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{P}}_{}}$ ${\displaystyle h_{\mathrm{}}}$ ${\displaystyle {\mathrm{e}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{a}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{t}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{i}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{g}}_{}}$ ${\$에서 작동하는 지열 열 펌프는 각 에너지 소비 단위에 대해 3.5 단위의 열을 제공한다(즉, 소비된 1 kWh는 출력 열을 제공한다). 출력 열은 입력 에너지의 열원과 1kWh에서 모두 발생하므로, 열원은 3.5kWh가 아니라 2.5kWh로 냉각된다.

A heat pump with ${\displaystyle {\rm {COP}}_{\rm {heating}}}$ of 3.5, such as in the example above, could be less expensive to use than even the most efficient gas furnace except in areas where the electricity cost per unit is higher than 3.5 times the cost of natural gas (e.g. Connecticut or New York City).

2.0의$$ C ${\displaystyle {\mathrm{O}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{P}}_{}}$ ${\displaystyle c_{\mathrm{}}}$ ${\displaystyle {\mathrm{o}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{o}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{i}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{g}}_{}}$ ${\$ {$COP}_{\rm$ {$cooling}}$에서 작동하는 열펌프 냉각기는 각 에너지 소비 단위에 대해 2단위의 열을 제거한다(예: 1 kWh를 소비하는 에어컨은 건물 공기에서 2 kWh의 열을 제거한다).

동일한 에너지원과 작동 조건을 고려할 때, 높은 COP 열 펌프는 낮은 COP보다 구입된 에너지를 덜 소비하게 된다. 난방 또는 냉방 설비의 전반적인 환경 영향은 장비의 COP뿐만 아니라 사용되는 에너지의 원천에 따라 달라진다. 소비자에 대한 운영 비용은 에너지 비용뿐만 아니라 COP 또는 장치의 효율성에 따라 달라진다. 어떤 지역은 천연가스와 전기와 같은 두 개 이상의 에너지원을 제공한다. 열펌프의 높은 COP는 천연가스의 동일한 가열값과 비교하여 상대적으로 높은 전기 비용을 완전히 극복하지 못할 수 있다.

예를 들어, 2009년 미국의 열당 평균가격(10만 영국식 열기구(29kWh)은 3.38달러인 반면, 천연가스 열당 평균가격은 1.16달러였다.^[12] 이러한 가격을 사용하면 적당한 기후에서 COP 3.5의 열펌프가 1개의 열을 제공하는 데 0.97달러가^[13] 드는 반면 95% 효율의 고효율 가스로는 1개의 열을 제공하는 데 1.22달러가^[14] 든다. 이러한 평균 가격에서 열 펌프는 동일한 양의 열을 제공하는 데 20%의^[15] 비용이 절감된다.

Carnot 효율로 동작하는 열펌프나 냉장고의 COP는_H T - T라는_C 표현을 분모로 하고 있다. 주변이 냉각(T_C 감소)되면서 분모가 증가하고 COP가 감소한다. 따라서 주변이 추울수록 열펌프나 냉장고의 COP는 낮아진다. 주변이 냉각되면 0°F(-18°C), COP 값이 3.5 이하로 떨어진다. 그러면 같은 시스템이 효율적인 가스히터만큼 작동하는데 비용이 많이 든다. 연간 절감액은 전기와 천연가스의 실제 비용에 따라 달라질 수 있으며, 두 가지 모두 매우 다양할 수 있다.

위의 예는 공기 공급원 열 펌프에만 적용된다. 위의 예는 열펌프가 외부에서 내부로 열을 이동시키는 공기원 열펌프 또는 단순히 열을 한 구역에서 다른 구역으로 이동시키는 수원 열펌프라고 가정한다. 수도원 열펌프의 경우, 이는 콘덴서 물 시스템의 순간 가열 부하가 콘덴서 물 시스템의 순간 냉각 부하와 정확히 일치하는 경우에만 발생할 수 있다. 이는 어깨 시즌(봄 또는 가을)에 발생할 수 있지만 난방 시즌이 한창인 시기에는 일어날 가능성이 낮다. 냉각 모드에 있는 열펌프보다 가열 모드에 있는 열펌프가 더 많은 열을 방출하는 경우 보일러(또는 다른 열원)가 응축기 수계에 열을 가한다. 보일러와 관련된 에너지 소비와 비용은 위의 비교에 반영될 필요가 있을 것이다. 상기의 예에서 열펌프 에너지 소비량에 반영되지 않은 콘덴서 냉각수 펌프와 관련된 에너지도 있다.

계절효율

전체 1년 동안의 에너지 효율에 대한 현실적인 지표는 열에 계절 COP 또는 계절별 성능 계수(SCOP)를 사용하여 달성할 수 있다. 계절 에너지 효율비(SEER)는 주로 에어컨에 사용된다. SCOP는 COP를 사용하는 것이 "구" 척도를 사용하는 것으로 간주될 수 있으므로 기대 실생활 성과를 더 잘 나타내는 새로운 방법론이다. 계절 효율성은 열 펌프가 전체 냉방 또는 난방 기간 동안 얼마나 효율적으로 작동하는지 나타낸다.^[16]

참고 항목

• 계절 에너지 효율비(SEER)
• 계절 열 에너지 저장(STES)
• 난방계절성능인자(HSPF)
• 전력 사용 효율성(PUE)
• 열효율
• 증기압축냉동
• 에어컨
• HVAC

메모들

외부 링크

• 입력 및 출력 온도에 따른 열펌프의 COP 변화에 관한 논의
• 산업 에너지 관리 - 원칙 및 적용이라는 책의 Cap XII에서 COP 정의를 참조하십시오.^{[영구적 데드링크]}