Parametry pro hodnocení efektivity soustav s tepelnými čerpadly: SPF a PER
Nasazení tepelných čerpadel v konkrétních soustavách pro vytápění a přípravu teplé vody v budovách se hodnotí sezónním topným faktorem SPF určeným výpočtem na základě projektu nebo z provozního monitoringu realizovaného systému. Pro srovnání soustavy s tepelným čerpadlem s jiným zdrojem tepla z pohledu neobnovitelné primární energie jako měřítka vlivu na životní prostředí se používá účinnost využití primární energie PER.
Úvod
Při hodnocení tepelných čerpadel lze rozlišit dvojí přístup. Tepelná čerpadla jsou hodnocena jako samostatné prodávané výrobky bez ohledu na jejich konečné použití, tzv. do jaké budovy a tepelné soustavy budou nasazena. Tento přístup zavádí dva parametry hodnocení: jmenovitý topný faktor COP stanovený zkouškou při definovaných standardních podmínkách a sezónní topný faktor SCOP, který lépe ukazuje energetickou náročnost tepelného čerpadla v jeho celoročním provozu. Nicméně hodnocení pomocí SCOP je prováděno pro standardizované provozní podmínky (definovaná tepelná ztráta budovy, definovaný odběrový profil teplé vody, definovaná otopná soustava, doby provozu, paušální zahrnutí oběhových čerpadel, apod.) [1]. Takové podmínky v 99 % realizací neodpovídají konkrétní instalaci tepelného čerpadla v budově. Proto pro hodnocení energetické náročnosti nasazení elektricky poháněných tepelných čerpadel v reálných aplikacích nelze použít výrobkové parametry stanovené pro standardizované podmínky. Je nutné použít takové parametry a postupy pro jejich získání, které umožní reflektovat chování tepelného čerpadla a celé soustavy v konkrétních provozních a klimatickým podmínkách.
V případě celých soustav s tepelnými čerpadly v konkrétní budově a soustavě dodávky tepla, ať již výpočtově před realizací nebo jako výsledek provozního měření soustavy po realizaci, se používá sezónní topný faktor SPF. Pro porovnání efektivity provozu soustav s tepelnými čerpadly s ohledem na spotřebu neobnovitelných zdrojů energie s jinými zdroji tepla, např. spalovacími zařízeními, je nutné použít faktor využití primární energie PER.
Hranice soustavy s tepelným čerpadlem
Energetická efektivita provozu jakékoli soustavy s elektricky poháněným tepelným čerpadlem sleduje množství tepla Q vydané soustavou v poměru k elektrické energii EE do soustavy přivedené. Při hodnocení energetické efektivity soustavy s tepelným čerpadlem je proto důležité nejprve stanovit, kde vlastně leží hranice takové soustavy s tepelným čerpadlem. Kde leží hranice samotného tepelného čerpadla je celkem jasné, jsou to hranice každého jednotlivého výrobku. Nicméně u soustavy s tepelným čerpadlem, zemním vrtem na zdrojové straně, zásobníkem otopné vody a zásobníkem teplé vody na straně odběrové, oběhovými čerpadly na zdrojové i odběrové straně (volně instalovanými nebo integrovanými v tepelném čerpadle), záložním zdrojem tepla (volně instalovaným, integrovaným v zásobnících nebo integrovaným v tepelném čerpadle), může být na první pohled vytyčení hranice nejasné.
Obr. 1 – Hranice hodnocení v soustavě s tepelným čerpadlem země-voda
Pokud však na soustavu s tepelným čerpadlem pohlédneme stejným měřítkem jako na soustavu např. s plynovým kotlem s integrovanou přípravou teplé vody, hranice soustavy se z velké části vyjasní. Pokud plynový kotel v soustavě pro vytápění a přípravu teplé vody nahradíme tepelným čerpadlem, pak do soustavy s tepelným čerpadlem patří všechny prvky, které umožní zajistit obdobnou funkci jako samotný plynový kotel: vytápět a připravit teplou vodu. Jinými slovy, hranicemi je odběr tepla budovou (viz obr. 1). Pro hodnocení efektivity provozu soustavy s tepelným čerpadlem se potom používají relevantní toky přes tuto systémovou hranici (dodávka tepla pro vytápění a přípravu teplé vody do budovy, potřeba elektrické energie pro všechny prvky soustavy: tepelné čerpadlo včetně regulace, oběhová čerpadla, ventilátory, záložní zdroj tepla, pohony ventilů, aj.). Otázkou může být, zda do hodnocení zdroje tepla započítat potřebu elektrické energie oběhového čerpadla otopné soustavy, případně cirkulačního čerpadla teplé vody (viz obr. 1) či zda tepelné ztráty zásobníku teplé vody mají jít na vrub soustavy nebo budovy. V tomto obecně není shoda (viz dále u hodnocení parametrem SPF), nicméně z logiky srovnávání efektivity s jinými zdroji tepla by spotřeba elektrické energie pro oběhová čerpadla a tepelné ztráty zásobníku teplé vody měly být součástí soustavy s tepelným čerpadlem. Srovnávanou alternativou zdroje tepla totiž může být elektrické vytápění s přímotopnými konvektory (žádné oběhové čerpadlo), průtoková příprava teplé vody (bez zásobníku teplé vody) a udržování požadované teploty na výtoku teplé vody elektrickými kabely na potrubí.
Sezónní topný faktor soustavy s tepelným čerpadlem SPF (seasonal performance factor)
Efektivita naprojektované nebo realizované tepelné soustavy pro vytápění a přípravu teplé vody s tepelným čerpadlem v konkrétní budově s konkrétní otopnou soustavou se vyjadřuje sezónním topným faktorem SPF postupem, který je definován v normách týkajících se návrhu a hodnocení soustav s tepelnými čerpadly. Co se týče vymezení hranic pro započtení toků energie, norma ČSN EN 15450 [2] určená pro projektování soustav s tepelnými čerpadly do spotřeby elektrické energie soustavy zahrnuje i oběhové čerpadlo rozvodu vytápění (viz příloha C normy), zatímco norma ČSN EN 15316-4-2 [3] pro hodnocení instalací soustav s tepelnými čerpadly oběhové čerpadlo rozvodu vytápění nepovažuje za součást soustavy s tepelným čerpadlem (viz kapitola 4 normy). O zahrnutí spotřeby elektrické energie cirkulačního čerpadla teplé vody se normy nezmiňují vůbec. Sezónní topný faktor soustavy se stanoví za hodnocený časový úsek (měsíc, rok) jako
(1)
kde je
- Q
- teplo dodané soustavou pro danou aplikaci (vytápění, teplá voda, apod.) [kWh];
- EE,TC
- potřeba elektrické energie pro pohon tepelného čerpadla [kWh];
- EE,ZZ
- potřeba elektrické energie záložního zdroje (elektrokotle) [kWh];
- EE,pom
- potřeba pomocné elektrické energie pro oběhová čerpadla, regulaci a další pomocná zařízení [kWh].
Množství tepla dodané soustavou s tepelným čerpadlem do budovy je uvažováno na hranici soustavy a veškeré tepelné ztráty zásobníků tepla a teplé vody, rozvodů uvnitř hranic soustavy jdou na vrub efektivity soustavy s tepelným čerpadlem a jsou zahrnuty v sezónním topném faktoru.
Sezónní topný faktor se stanovuje buď výpočtem, nebo z dlouhodobého měření provedeném na reálné instalaci. Výpočet se provádí v souladu s ČSN EN 15316-4-2 nebo ze zjednodušeného postupu podle TNI 73 0351 [4]. Výpočetní postup je založen na intervalové metodě, která otopnou sezónu, případně celý rok uvažuje v teplotních intervalech daných střední venkovní teplotou a její dobou trvání. V jednotlivých intervalech se provádí bilance produkce tepla tepelným čerpadlem pro krytí uvažované potřeby tepla budovy a potřeby elektrické energie pro pohon tepelného čerpadla, pomocných zařízení a záložní zdroj tepla (uvažuje se elektrokotel) [5]. Výpočet vyžaduje dostatečně vypovídající soubor hodnot tepelného výkonu a topného faktoru ze zkoušky v souladu s ČSN EN 14511 [6].
Norma pro projektování tepelných soustav s tepelnými čerpadly ČSN EN 15450 navrhuje v informativní příloze minimální hodnoty SPF (viz tab. 3) pro projektované soustavy. Nejedná se o obecně vynutitelné hodnoty, nicméně projektantovi ukazují, zda navržená soustava s tepelným čerpadlem odpovídá stavu techniky a běžnému standardu nebo ne. Nakonec zadavatel projektu je může s odkazem na tabulku smluvně požadovat, např. v rámci výběrových řízení s odkazem na normu. Prokázání pak může být ověřeno výpočtem podle definované metodiky nebo dlouhodobým měřením na realizaci.
| Zdroj energie/odvod tepla | Minimální hodnoty SPF | Cílové hodnoty SPF |
|---|---|---|
| Vytápění a příprava teplé vody v renovacích | ||
| vzduch/voda | 2,7 | 3,0 |
| zemský masiv/voda | 3,5 | 4,0 |
| voda/voda | 3,8 | 4,5 |
| Vytápění a příprava teplé vody v novostavbách | ||
| /voda | 2,5 | 2,8 |
| zemský masiv/voda | 3,3 | 3,7 |
| voda/voda | 3,5 | 4,2 |
| Samotná příprava teplé vody | ||
| vzduch/voda | 2,3 | 2,8 |
| zemský masiv/voda | 3,0 | 3,5 |
| voda/voda | 3,2 | 3,8 |
Posun směrem k požadavku představuje evropská směrnice o podpoře využívání obnovitelných zdrojů energie [7], která definuje minimální hodnotu sezónního topného faktoru soustavy s tepelným čerpadlem vztahem
(2)
kde je
- ηe
- celková účinnost výroby elektrické energie (účinnost energetického systému)
Podle Rozhodnutí Komise [8] se pro stanovení minimálního sezónního topného faktoru používá od roku 2013 hodnota účinnosti energetického systému 45,5 % jako evropský průměr. Potom minimální požadovaný sezónní topný faktor SPF soustav s tepelnými čerpadly je 2,5. Hodnota účinnosti může být časem aktualizována (nejdříve v říjnu 2016) podle údajů Eurostatu. Soustavy s tepelnými čerpadly, které dosahují hodnoty SPF nižší než je minimální požadavek nejsou pokládány za obnovitelný zdroj energie, neboť nedochází k úspoře primárních neobnovitelných paliv. V jejich případě je ekologičtější a energeticky výhodnější spalovat primární paliva a přímo z nich získávat teplo. Takové soustavy se nemohou započítávat mezi obnovitelné zdroje tepla například v rámci statistik OZE.
Právě v oblasti statistiky využívání OZE dochází ke stírání zásadního rozdílu v přístupu hodnocení mezi SCOP (standardizovaný provoz ve fiktivní budově) a SPF (reálný provoz v konkrétní budově). Vzhledem k nezbytnosti zpracovávat statistiky jednoduchým způsobem se logicky využívá hodnot SCOP pro standardizované podmínky provozu bez ohledu na konkrétní uplatnění instalovaných tepelných čerpadel, které by bylo nesmírně náročné.
Účinnost využití primární energie PER (primary energy ratio)
Pokud je účelem hodnocení provozu tepelných čerpadel porovnání s jinými zdroji tepla využívajícími i jiné druhy energie, např. zemní plyn, OZE, apod., pak musí být systémová hranice nutně rozšířena až ke vstupu primárního paliva. Z hlediska trvale udržitelného rozvoje, ekologických aspektů a snížení závislosti na těžbě a dovozu neobnovitelných paliv se nabízí vztáhnout produkci užitečného tepla tepelným čerpadlem k potřebě neobnovitelné primární energie a zavést tak účinnost využití primární energie
(3)
kde je
- Q
- teplo dodané soustavou pro danou aplikaci (vytápění, teplá voda, apod.) [kWh];
- PE
- potřeba neobnovitelné primární energie [kWh];
- F
- faktor neobnovitelné primární energie (konverzní faktor) [–].
Výhodou neobnovitelné primární energie jako měřítka efektivity je možnost sčítání energetické efektivity na společném jmenovateli vyjadřujícím obecně „ekologičnost“ daného zařízení či soustavy. Faktory neobnovitelné primární energie vycházejí na jedné straně ze statistik energetického mixu každého státu, nicméně mohou zároveň sloužit i jako motivační nástroj pro preferování určitého druhu energie před jiným [9]. Například pokud stát chce snížit svou závislost na dodávkách zemního plynu (protože např. majoritní dodavatel je nepředvídatelným partnerem), může uměle zvýšit konverzní faktor a zařízení využívající zemní plyn pak budou vycházet s horšími parametry při hodnocení budov (energetický štítek). Každý stát má odlišné konverzní faktory pro jednotlivé energonositele. V ČR má nejvyšší hodnotu konverzní faktor pro elektrickou energii, protože účinnost produkce elektrické energie z primárního paliva (uhlí, jaderný materiál) je velice nízká, okolo 30 % [10]. Konverzní faktory platné pro ČR jsou zakotveny ve vyhlášce 78/2013 Sb. [11]. Při porovnání s jinými zdroji se pro srovnávané zdroje použije podobný vztah, zohledňující veškerou potřebu neobnovitelné primární energie
(4)
kde je
- Ei
- dodaná energie po jednotlivých energonositelích [kWh];
- Fi
- faktory neobnovitelné primární energie (konverzní faktory) pro jednotlivé energonositele [–].
Například pro kotel na zemní plyn dodávající teplo do budovy s využitím oběhového čerpadla otopné soustavy se účinnost využití primární energie stanoví
(5)
kde je
- EZP
- potřeba energie zemního plynu [kWh];
- FZP
- konverzní faktor pro zemní plyn [–];
- ηk
- provozní účinnost plynového kotle [–] vztažená k energetickému obsahu zemního plynu (spalnému teplu), tj. stupeň využití paliva;
- EE
- potřeba elektrické energie na pomocná zařízení plynového kotle (oběhové čerpadlo, regulace) [kWh];
- FE
- konverzní faktor pro elektrickou energii [–].
Níže je provedeno jednoduché srovnání hodnot PER pro typické zdroje tepla v budově s roční potřebou tepla na vytápění a přípravu teplé vody 10 MWh/rok. Do výpočtu je započteno i oběhové čerpadlo otopné soustavy, u všech případů s roční potřebou elektrické energie 100 kWh.
- elektrokotel a elektrický ohřívač vody, oba s uvažovanou účinností 100 % PER = 0.33
- plynový kotel pro vytápění a ohřev vody s účinností 90 % PER = 0.80
- tepelné čerpadlo vzduch-voda se sezónním topným faktorem 3.0 PER = 0.97
- tepelné čerpadlo země-voda se sezónním topným faktorem 4.0 PER = 1.28
- plynový kotel s ohřevem vody s účinnosti 95 % + solární soustava pro ohřev vody se ziskem 2000 kWh/rok,
čerpadlo solární soustavy 100 kWh/rok PER = 1.01
Závěr
Hodnocení konkrétních projektovaných nebo realizovaných soustav s tepelnými čerpadly se liší od zjednodušeného standardizovaného hodnocení tepelných čerpadel jako výrobků. Vyžaduje větší množství informací souvisejících s danou instalací, nicméně výsledkem je pro uživatele věrohodnější informace nejen o efektivitě prostřednictvím sezónního topného faktoru SPF, ale i roční potřebě elektrické energie.
V souvislosti s přechodem na hodnocení budov z pohledu neobnovitelné primární energie zavedenému do národní legislativy (průkaz energetické náročnosti, energetický štítek budovy) nabývá na významu i hodnocení efektivity provozu zdrojů tepla parametrem účinnosti využití primární energie PER.
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] Matuška, T.: Parametry pro hodnocení efektivity tepelných čerpadel: COP a SCOP, TZB-info, 2015.
- [2] ČSN EN 15450 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly
- [3] ČSN EN 15316-4-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetické potřeby a účinností soustavy – Část 4-2: Výroba tepla pro vytápění, tepelná čerpadla, ÚNMZ, 2011.
- [4] TNI 73 0351 – 730351 Energetické hodnocení soustav s tepelnými čerpadly – Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ, 2014.
- [5] Matuška, T., Šourek, B.: Výpočet ročního provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle TNI 73 0351, Topenářství instalace, 2014, č. 7, str. 42–48. ISSN 1211-0906
- [6] 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.
- [7] Směrnice 2009/28/ES o podpoře využívání energie z obnovitelných zdrojů. Brusel 2009.
- [8] Rozhodnutí Komise 2013/114/EU, kterým se stanoví pokyny pro členské státy pro výpočet energie z obnovitelných zdrojů z tepelných čerpadel využívajících různé technologie tepelných čerpadel podle článku 5 směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/28/ES
- [9] ČSN EN 15603 Energetická náročnost budov - Celková potřeba energie a definice energetických hodnocení, ÚNMZ 2009.
- [10] Czech Republic Energy Efficiency Report, ABB report, January, 2011
- [11] Vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov, MPO 2013.
Application of heat pumps in particular water heating and space heating systems for buildings is evaluated by seasonal coefficient of performance determined by calculation procedure based on the design or from the field monitoring of installed system. Primary energy ratio PER is used for comparison of heat pump system with another heat generator from the point of non-renewable primary energy as a measure for environmental impact.