چگونه دمای محیط بر COP یک پمپ گرما منبع هوا تاثیر می گذارد؟

1. پیشینه ترمودینامیکی

بر اساس چرخه کارنو، حداکثر COP تئوری یک پمپ حرارتی منبع هوا به صورت زیر تعریف می‌شود:

COP_max = T_hot / (T_hot - T_cold)

که در آن T دمای مطلق بر حسب کلوین است. این فرمول نشان می‌دهد که هرچه اختلاف دما بین منبع و سینک کمتر باشد، راندمان بالاتر است.

در سیستم‌های واقعی، دمای عملیاتی واقعی بسیار کمتر از این حداکثر تئوری است. طبق کتاب راهنمای ASHRAE (2020)، پمپ‌های حرارتی منبع هوا مدرن معمولاً تنها 40٪ تا 60٪ از حد کارنو را به دلیل تلفات ترمودینامیکی و ناکارآمدی اجزا به دست می‌آورند.

بینش مهندسی: اصل کارنو یک معیار ارزشمند است، اما رفتار سیستم در دنیای واقعی توسط عملکرد کمپرسور، خواص ترموفیزیکی مبرد و استراتژی‌های کنترل سیستم هدایت می‌شود.

2. داده‌های میدانی

انجمن پمپ حرارتی منبع هوای اروپا (EHPA) نتایج آزمایش عملکرد فصلی را ارائه می‌دهد که تأثیر کاهش دمای محیط را برجسته می‌کند:

هنگامی که دمای بیرون از 7 درجه سانتیگراد به -7 درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد:

COP پمپ حرارتی منبع هوا از 4.2 به 3.1 کاهش می‌یابد (-26٪)

COP پمپ حرارتی منبع زمین از 5.1 به 4.3 کاهش می‌یابد (-16٪)

این روندها در مناطق آب و هوایی با تقاضای گرمایش بالاتر رایج است. به عنوان مثال، در جنوب فنلاند، برخی از واحدهای مسکونی مقادیر COP زیر 2.0 را در طول هوای سرد طولانی مدت ثبت کرده‌اند.

3. مکانیسم‌های کاهش COP

دمای پایین‌تر بیرون می‌تواند باعث کاهش قابل توجه COP پمپ‌های حرارتی منبع هوا به دلایل زیر شود:

1) فشار تبخیر کمتر، نسبت فشار کمپرسور بالاتر و افزایش مصرف انرژی

2) کاهش جریان جرم مبرد، که باعث اختلال در انتقال حرارت به اواپراتور می‌شود

3) چرخه‌های یخ‌زدایی مکرر، که انرژی کمکی مصرف می‌کنند و عملکرد حالت پایدار را مختل می‌کنند