Parametry pro hodnocení efektivity tepelných čerpadel: COP a SCOP
Pro elektricky poháněná tepelná čerpadla se v posledním desetiletí postupně objevila a ustálila celá řada hodnoticích parametrů porovnávajících jejich energetickou kvalitu. Text se zaměřuje na dva parametry, které slouží ke srovnávání tepelných čerpadel jako výrobků – zařízení pro dodávku tepla.
Úvod
Tepelná čerpadla se stávají stále více využívaným zdrojem tepla pro vytápění a přípravu teplé vody. Na jedné straně významným způsobem využívají obnovitelných nebo druhotných zdrojů energie, na druhé straně se jedná o spolehlivý zdroj, který i v extrémních zimních podmínkách může poskytnout požadovaný výkon. Elektricky poháněná tepelná čerpadla se v budoucnosti navíc mohou stát významným prvkem energetiky jako významný elektrický spotřebič pro vyrovnávání výkyvů dodávky a odběru v elektrických sítích jak v zimním (vytápění) tak v letním období (chlazení).
Pro srovnávání tepelných čerpadel mezi sebou jako výrobků, v rámci naprojektovaných či realizovaných instalací, případně pro porovnávání tepelných čerpadel s jinými zdroji tepla v globálním měřítku se používá celá řada parametrů (srovnávacích kritérií) lišících se úhlem pohledu a způsobem hodnocení provozu tepelného čerpadla. Cílem tohoto a následujícího textu je představit tyto parametry, vysvětlit souvislosti a ukázat na oblast jejich použití.
Energetickou kvalitu samotných tepelných čerpadel jako výrobků mezi sebou může dnes zákazník porovnat dvěma parametry: jmenovitý topný faktor COP a sezónní topný faktor SCOP. COP je určen pro jeden standardní provozní bod, který velmi zhruba odpovídá nejčastějšímu provoznímu stavu. SCOP je integrovaným parametrem, který vyjadřuje sezónní energetickou náročnost tepelného čerpadla. Oba parametry jsou stanoveny pro definované standardizované podmínky a nemohou poskytnout informaci o chování tepelného čerpadla v reálném nasazení v konkrétní instalaci (budově, otopné soustavě, nastavení regulace).
Topný faktor tepelného čerpadla COP (coefficient of performance)
Definice topného faktoru jako parametru efektivity samotného tepelného čerpadla je uvedena v normě pro laboratorní zkoušení tepelných čerpadel a chladicích zařízení ČSN EN 14511 [1]. Hranicemi hodnocení je samotná funkční jednotka tepelného čerpadla. Topný faktor je poměr topného výkonu k celkovému elektrickému příkonu jednotky za ustálených provozních podmínek
(1)
kde je
- Φ
- – tepelný výkon tepelného čerpadla [kW];
- Pc
- – elektrický příkon kompresoru [kW];
- Paux
- – elektrický příkon potřebný pro překonání tlakové ztráty výparníku a kondenzátoru, odtávání výparníku a vlastní regulaci tepelného čerpadla [kW].
S ohledem na průběh zkoušky, především u tepelného čerpadla se vzduchem jako zdrojem tepla, se jedná o poměr středního tepelného výkonu ke střednímu elektrickému příkonu za zkušební časový úsek. V rámci zkušebního časového úseku je nutné uskutečnit několik cyklů odtávání výparníku tepelného čerpadla, což je naopak vysoce dynamický proces. Do celkového elektrického příkonu se započítává nejen příkon kompresoru, ale i náročnost odtávání, potřeba elektrické energie regulačních a zabezpečovacích prvků (expanzní ventil, vyhřívání kompresoru jako ochrana proti kondenzaci chladiva, apod.) a také elektrický příkon nutný pro překonání tlakových ztrát výměníků (výparník, kondenzátor) tepelného čerpadla při požadovaném průtoku teplonosných látek. To znamená, že pokud oběhové čerpadlo je součástí jednotky tepelného čerpadla, do hodnoceného elektrického příkonu se započítává pouze jeho část adekvátní tlakovým ztrátám výměníků.
Topný faktor se stanovuje z laboratorního měření při různých provozních podmínkách (teploty na vstupu do výparníku, teploty na výstupu z kondenzátoru) pro zachycení dostatečného provozního rozsahu. Největší množství bodů se zkouší pro tepelná čerpadla vzduchová, provozovaná ve velkém rozsahu teplot na vstupu do výparníku (pět hodnot od −15 do +12 °C), naopak tepelná čerpadla odebírající teplo z vody se zpravidla zkouší pouze pro dvě teploty na vstupu do výparníku (10 °C, 15 °C). Tab. 1 uvádí možné zkušební kombinace teplot na vstupu do výparníku a výstupu z kondenzátoru definované v ČSN EN 14511. Podrobnější informace ke zkoušení tepelných čerpadel a vyhodnocení jejich COP jsou uvedeny v normě [1].
Tab. 1 Zkušební podmínky tepelných čerpadel podle ČSN EN 14511
U tepelných čerpadel se vždy uváděly jmenovité topné faktory COP při tzv. standardních (či normových) podmínkách, které pro jednotlivé druhy tepelných čerpadel jsou
| vzduch-voda | A2/W35 | (teplota vzduchu na vstupu do výparníku 2 °C, teplota otopné vody z kondenzátoru 35 °C) |
| země-voda | B0/W35 | (teplota solanky na vstupu do výparníku 0 °C, teplota otopné vody z kondenzátoru 35 °C) |
| voda-voda | W10/W35 | (teplota vody na vstupu do výparníku 10 °C, teplota otopné vody z kondenzátoru 35 °C) |
Přestože současná verze normy uvádí u tepelného čerpadla vzduch-voda jako standardní podmínky A7/W35, historicky se stále používá kombinace A2/W35. Topný faktor za standardních podmínek je občas používán jako kritérium efektivity tepelných čerpadel. Např. značka kvality Q-label udělovaná Evropskou asociací pro tepelná čerpadla (EHPA) stanovuje pro dané podmínky minimální topné faktory COP, které musí tepelná čerpadla, ucházející se o takové označení, prokázat [2]. Minimální topné faktory požadované pro značku kvality Q-label jsou uvedeny v tab. 2. Tyto hodnoty jako minimální požadavky na efektivitu tepelných čerpadel později převzal i program podpory úspor Zelená úsporám a jeho nástupce Nová zelená úsporám. V současné době v souvislosti se zavedením směrnic o ekodesignu a štítkování tepelných čerpadel je uvádění jmenovitých COP zbytečné, podobně jako jejich používání jako požadavkových kritérií.
| tepelné čerpadlo | jmenovité podmínky | požadavek |
|---|---|---|
| vzduch-voda | A2/W35 | COP > 3.1 |
| země-voda | B0/W35 | COP > 4.3 |
| voda-voda | W10/W35 | COP > 5.1 |
Sezónní topný faktor tepelného čerpadla SCOP (seasonal coefficient of performance)
Topný faktor tepelného čerpadla COP stanovený měřením v laboratoři pro jednu kombinaci provozních podmínek nevyjadřuje dostatečně věrohodně provozní efektivitu tepelného čerpadla provozovaného celý rok v měnících se teplotních podmínkách jak na straně výparníku (zdroje tepla), tak na straně kondenzátoru (odběru tepla), při měnícím se odběrovém výkonu, který tepelné čerpadlo kryje svým tepelným výkonem, případně musí být pokryt záložním zdrojem (elektrokotlem) podle míry dimenzování výkonu tepelného čerpadla vůči odběru.
Lepším kritériem při výběru tepelného čerpadla než jmenovitý topný faktor (za standardních podmínek) je sezónní topný faktor tepelného čerpadla SCOP definovaný normou ČSN EN 14825 [3]. Výpočet SCOP vychází z celoroční bilance produkce tepla daného tepelného čerpadla a krytím potřeby tepla budovy definované návrhovou tepelnou ztrátou v otopné sezóně se standardizovanými provozními a klimatickými podmínkami. Výpočet se provádí v otopném období rozděleném na teplotní intervaly po 1 K. Do SCOP se zahrnuje nejen efektivita produkce tepla tepelným čerpadlem v aktivním chodu, ale také energetické ztráty vlivem cyklování tepelného čerpadla (pokud má vyšší výkon než je tepelná ztráta během otopného období), energetická potřeba záložního elektrokotle (pokud výkon tepelného čerpadla nestačí pro krytí ztráty budovy), energetická spotřeba tepelného čerpadla v pohotovostním režimu či při náběhu, ztráty vychládáním výměníků v době mimo provoz, udržování kompresoru na požadované teplotě, apod. Pro výpočet je nutné mít k dispozici sadu hodnot výkonu a topného faktoru tepelného čerpadla stanovených měřením v laboratoři pro různé kombinace provozních podmínek podle ČSN EN 14511 a ČSN EN 14825, mezilehlé hodnoty se interpolují.
Pro výpočet SCOP jsou definována tři klimatická pásma:
- teplejší – Atény s návrhovou venkovní teplotou +2 °C a trváním otopné sezóny 3590 hodin;
- průměrná – Štrasburk s návrhovou venkovní teplotou −10 °C a trváním otopné sezóny 4910 hodin;
- chladnější – Helsinki s návrhovou venkovní teplotou −22 °C a trváním otopné sezóny 6446 hodin.
Protože se SCOP počítá pro konkrétní návrhovou tepelnou ztrátu budovy, pro kterou je tepelné čerpadlo určeno, je nutné ve zkušebně naměřit navíc tzv. bod bivalence (topný výkon a topný faktor za podmínek, kdy výkon tepelného čerpadla odpovídá tepelné ztrátě, tj. odběrovému výkonu). Uvažovaná (výrobcem zvolená) tepelná ztráta ovlivňuje výpočet SCOP. Čím menší se zvolí návrhová tepelná ztráta pro dané tepelné čerpadlo, tím menší bude dohřev záložním zdrojem, ale narostou energetické ztráty vlivem cyklování a naopak. Hranicí hodnocení je tepelné čerpadlo se záložním zdrojem (elektrokotlem).
Vypočtený SCOP se používá pro klasifikaci tepelných čerpadel do tříd energetické účinnosti při jejich štítkování na základě Nařízení Komise 811/2013 [4] a zároveň pro porovnání s minimálními požadavky na ekodesign podle Nařízení Komise 813/2013 [5]. Nařízení nicméně podmínky výpočtu SCOP dále upravují. Podrobnosti ke štítkování a ekodesignu v oblasti tepelných čerpadel lze nalézt v již publikovaných textech [6, 7, 8].
Závěr
Různost přístupů k hodnocení provozu tepelných čerpadel odpovídá různosti potřeb porovnání. Pro zjednodušené porovnání tepelných čerpadel slouží jmenovitý topný faktor COP jako přímý výsledek zkoušky v laboratoři při definovaných podmínkách ustáleného provozu. Ten může posloužit pro srovnání dvou konstrukcí stejného druhu tepelných čerpadel. Pro porovnání provozní efektivity dvou tepelných čerpadel od různých výrobců, navíc např. s různým druhem řízení tepelného výkonu je již zapotřebí sezónní topný faktor SCOP, který umožní jedinou hodnotou porovnat chování srovnávaných tepelných čerpadel během celé otopné sezóny za standardizovaných podmínek. Oba parametry COP i SCOP slouží jako hodnoticí parametr pro výrobek samotný.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
Odkazy
- [1] ČSN EN 14511 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru, soubor norem pro zkoušení tepelných čerpadel, ÚNMZ 2014.
- [2] EHPA quality label for heat pumps, dostupné na: http://www.ehpa.org/ehpa-quality-label/about
- [3] ČSN EN 14825 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Zkoušení a klasifikace za podmínek částečného zatížení a výpočet při sezonním nasazení. ÚNMZ 2014.
- [4] Nařízení Komise 811/2013 o uvádění spotřeby energie na energetických štítcích ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů, kombinovaných ohřívačů, souprav sestávajících z ohřívače pro vytápění vnitřních prostorů, regulátoru teploty a solárního zařízení a souprav sestávajících z kombinovaného ohřívače, regulátoru teploty a solárního zařízení. Brusel 2013.
- [5] Nařízení Komise 813/2013 – požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů a kombinovaných ohřívačů. Brusel 2013.
- [6] Sedlář, J.: Úvod do štítkování a ekodesignu tepelných čerpadel, TZB-info, 2015.
- [7] Sedlář, J.: Štítkování a ekodesign tepelných čerpadel pro přípravu teplé vody, TZB-info, 2015.
- [8] Sedlář, J.: Štítkování a ekodesign tepelných čerpadel pro vytápění, TZB-info, 2015.
A number of evaluation parameters has appeared for electrically driven heat pumps in last decade to show their energy performance quality. Text is focused on two parameters which serve for comparison of heat pumps as products – devices for heat supply.