Coefficient de performance – pompe à chaleur, réfrigérateur, climatiseur
En général, le rendement thermique , η e , de tout moteur thermique en tant que rapport du travail qu’il fait, W , à la chaleur d’ entrée à la température élevée, Q H .
Le rendement thermique , η e , représente la fraction de la chaleur , Q H , qui est converti pour fonctionner .
Mais dans les pompes à chaleur et les réfrigérateurs , le travail n’est pas un résultat. Pour une réfrigération ou des pompes à chaleur, l’efficacité thermique indique dans quelle mesure l’énergie ajoutée par le travail est convertie en chaleur nette. D’un point de vue économique, le meilleur cycle de réfrigération est celui qui élimine la plus grande quantité de chaleur de l’intérieur du réfrigérateur (réservoir froid) pour une dépense minimale de travail mécanique ou d’énergie électrique. Par conséquent, plus le ratio est élevé, meilleur est le réfrigérateur. Nous appelons ce rapport le coefficient de performance , noté COP .
Le coefficient de performance , COP, est également défini pour les pompes à chaleur, mais nous suivons à ce stade la chaleur nette ajoutée au réservoir chaud. Le COP dépasse généralement 1, en particulier dans les pompes à chaleur, car au lieu de convertir uniquement le travail en chaleur, il pompe de la chaleur supplémentaire d’une source de chaleur là où la chaleur est requise.
En général, le COP dépend fortement des conditions de fonctionnement, en particulier de la température absolue et de la température relative entre le dissipateur thermique et le système.
Coefficient de performance – Pompe à chaleur
Pour le chauffage, le COP est le rapport entre la chaleur ajoutée au système (réservoir chaud). En utilisant le première principe de la thermodynamique, définissez le COP aussi comme la chaleur extraite du réservoir froid plus le travail d’entrée dans le travail d’entrée.
Pour une pompe à chaleur idéale (sans pertes ni irréversibilités), on peut déduire que:
A noter que ces équations doivent utiliser une échelle de température absolue (T froid , T chaud ) et ce n’est qu’une efficacité maximale théorique . Selon la formule ci-dessus, le COP maximum réalisable pour T chaud = 35 ° C (308 K) et T froid = 0 ° C (273 K) serait de 8,8. Mais en réalité, les meilleurs systèmes tournent autour de 4,5.
Comme on peut le voir, le COP d’un système de pompe à chaleur peut être amélioré en réduisant la différence de température (T chaud – T froid ). Par conséquent, la réduction de la température de sortie (T chaud ) est très efficace, mais nécessite un transfert de chaleur très efficace du système de pompe à chaleur vers l’environnement (c.-à-d. Utilisation de plancher tubulaire). Une augmentation de la température d’entrée (T froid ) signifie, par exemple, une source de chaleur au sol surdimensionnée.
Coefficient de performance – réfrigérateur, climatiseur
Le coefficient de performance , COP , d’un réfrigérateur est défini comme la chaleur évacuée du réservoir froid Q froid , (c’est-à-dire à l’intérieur d’un réfrigérateur) divisée par le travail W effectué pour évacuer la chaleur (c’est-à-dire le travail effectué par le compresseur).
Comme on peut le voir, le réfrigérateur est meilleur (plus efficace) lorsque plus de chaleur Q froide peut être retirée de l’intérieur du réfrigérateur pour une quantité de travail donnée. Puisque la première loi de la thermodynamique doit être valable également dans ce cas (Q froid + W = Q chaud ), nous pouvons réécrire l’équation ci-dessus:
Pour un réfrigérateur idéal (sans pertes ni irréversibilités), on peut déduire que:
Ces formules s’appliquent également à un climatiseur , qui fonctionne très bien comme un réfrigérateur.
En revanche, les COP pour le chauffage et le refroidissement sont différents.
Exemple – Pompe à chaleur – Chauffage et climatisation
Une pompe à chaleur réversible a un coefficient de performance, COP = 3,0 , lorsqu’elle fonctionne en mode chauffage . Son compresseur consomme 1500 W d’énergie électrique.
- Calculez la quantité de chaleur ( Q chaude ) que la pompe à chaleur peut ajouter à une pièce?
- Si la pompe à chaleur était mise en mode refroidissement (c’est-à-dire pour agir comme climatiseur en été), quel serait son coefficient de performance ? Supposons que tout le reste reste le même et négligez toutes les autres pertes.
Solution:
De la COP , qui est définie comme:
la quantité de chaleur que la pompe à chaleur peut ajouter à une pièce est égale à:
Q chaud = chauffage COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s
Dans le cas du mode de refroidissement , la pompe à chaleur (climatiseur) avec un moteur de 1500 W peut prendre la chaleur Q froide de l’intérieur de la maison, puis vider Q chaud = 4500 W vers l’extérieur chaud. En utilisant le première principe de la thermodynamique, qui stipule:
Q froid + W = Q chaud ,
on obtient de la chaleur, Q froid = 3000 W . D’après la définition: COP refroidissement = 3000/1500 = 2 .
Notez que, dans cet exemple, nous avons de nombreuses hypothèses. Par exemple, nous avons supposé que la différence de température (T chaud – T froid ) est la même pour les deux modes. Mais nous avons échangé des réservoirs, sans aucun impact sur le COP. Ce n’est qu’un exemple illustratif.
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