Hodnocení SCOP tepelných čerpadel pro vytápění

Úvod

Pro stanovení provozní energetické účinnosti zařízení pro vytápění vnitřních prostor, která je podkladem pro zařazení daného zařízení do energetické třídy pro účely energetického štítku a zároveň pro vyhodnocení splnění požadavku na ekodesign, se pro tepelná čerpadla využívá tzv. sezónní topný faktor SCOP určený pro vytápění. Výpočet SCOP se provádí pro zvolenou tepelnou ztrátu domu, standardizovanou otopnou soustavu (35 °C nebo 55 °C) a standardizované klimatické podmínky. Výpočet se provádí v souladu s ČSN EN 14825 [1]. Pro účely štítkování [2] a ekodesignu [3] jsou doprovodnými dokumenty [4] výpočtové podmínky oproti normě do určité míry upraveny. Následující text popisuje vstupní údaje pro výpočet SCOP a vlastní výpočtový postup.

Klimatické údaje

Obr. 1 – Četnost výskytu teplot v otopném období podle ČSN EN 14825 pro tři definované oblasti

Obr. 2 – Četnost výskytu teplot v Praze (stanice Karlov) mezi lety 2003 a 2007

Pro výpočet SCOP pro provoz tepelného čerpadla v různých částech Evropy jsou definovány tři klimatické oblasti, do kterých je Evropa rozdělena:

• průměrná – odpovídá klimatickým podmínkám města Štrasburk;
• teplejší – odpovídá klimatickým podmínkám města Atény;
• chladnější – odpovídá klimatickým podmínkám města Helsinky.

Norma pro jednotlivé oblasti uvádí histogram četnosti výskytu teplot venkovního vzduchu v otopném období v rozlišení po 1 K. Četnosti teplot jsou pro všechny klimatické oblasti graficky zobrazeny na obr. 1.

Klimatickým podmínkám České republiky se nejvíce blíží průměrná klimatická oblast. Na obr. 2 jsou pro srovnání zobrazeny četnosti výskytu teploty venkovního vzduchu během otopného období pro Českou republiku ze stanice Praha Karlov za roky 2003 až 2007 [5] a jejich srovnání s průměrnou klimatickou oblastí podle ČSN EN 14825. Z grafu je patrná výborná shoda mezi klimatickými údaji pro ČR ve všech letech a údaji pro průměrnou oblast.

Na štítku tepelného čerpadla se objevuje zařazení do energetické třídy na základě výpočtu SCOP provozu tepelného čerpadla pro vytápění v průměrné klimatické oblasti. Nicméně podle Nařízení Komise 811/2013 se musí tepelné čerpadlo hodnotit ve všech oblastech z důvodu jednotného evropského trhu. Výsledky hodnocení jsou součástí dokumentace, tzv. informačního listu ke štítku. Pro českého zákazníka je samozřejmě nejzajímavější provoz tepelného čerpadla právě v průměrné teplotní oblasti.

Výpočet sezónního topného faktoru SCOP

Pro stanovení SCOP je nutné znát jmenovitou tepelnou ztrátu budovy (při výpočtové teplotě venkovního vzduchu), pro kterou se výpočet provádí. Tato část hodnocení nechává poměrně velký prostor pro výrobce tepelných čerpadel, neboť pro potřeby štítku tepelného čerpadla si výrobce jmenovitou tepelnou ztrátu pro výpočet štítku volí. Pro jednotlivé klimatické oblasti jsou výpočtové teploty venkovního vzduchu, při kterých je udána tepelná ztráta budovy, uvedeny v tab. 1. Závislost tepelné ztráty na teplotě venkovního vzduchu je lineární a při venkovní teplotě +16 °C je nulová bez ohledu na klimatickou oblast.

Vlastní výpočet se provádí tzv. intervalovou metodou, tj. výpočtem bilance provozu tepelného čerpadla v jednotlivých teplotních intervalech s definovanou teplotou venkovního vzduchu a dobou trvání daných histogramem klimatické oblasti. Potřeba tepla na vytápění se v každém intervalu stanovuje velice zjednodušeným způsobem ze zvolené jmenovité tepelné ztráty [kW] pouze na základě teploty venkovního vzduchu v daném intervalu a jejich doby trvání [h].

Obr. 3 – Porovnání potřeby tepla a dostupného výkonu tepelného čerpadla

Pro výpočet bilance provozu tepelného čerpadla v otopném období a stanovení SCOP je nezbytné mít k dispozici naměřené údaje o tepelném výkonu a topném faktoru tepelného čerpadla při různých provozních (uživatelských) teplotních podmínkách, jak uvádí norma ČSN EN 14511 [6]. Norma ČSN EN 14825 [1] pak uvádí další možné podmínky pro měření tepelných čerpadel s modulovaným výkonem. Na obr. 3 je znázorněna zjednodušená závislost topného výkonu tepelného čerpadla vzduch-voda bez regulace výkonu a křivka (přímka) tepelné ztráty budovy, obojí v závislosti na venkovní teplotě. Přímka odpovídá výpočtové tepelné ztrátě budovy 10 kW v průměrné klimatické oblasti s návrhovou teplotou −10 °C. Teplota, ve které se obě křivky protínají, se nazývá bivalentní teplota či teplota bivalence. Platí, že pro venkovní teploty nižší než bivalentní teplota nedokáže tepelné čerpadlo pokrýt celou tepelnou ztrátu a musí být použit záložní elektrický dohřev. Pro vyšší teploty naopak tepelné čerpadlo pracuje v režimu částečného zatížení, zapíná a vypíná (cykluje).

Při provozu tepelného čerpadla v režimu částečného zatížení se pro jednotky bez modulace výkonu musí jeho deklarovaný topný faktor COP_DC stanovený měřením korigovat pomocí ztrátového součinitele C_d, který zohledňuje chování jednotky z hlediska ztrát při cyklickém vypínání a zapínání. Ztrátový součinitel se zjistí buď speciálním testem, nebo – pokud nebyl proveden – použije se hodnota 0,9 pro tepelná čerpadla vzduch-voda a kapalina-voda.

Topný faktor při částečném zatížení se pro tepelná čerpadla bez regulace výkonu a ohřevem otopné vody jako teplonosné látky otopné soustavy se vypočítá podle vztahu

(1)

kde je

COP_pl

topný faktor při částečném výkonu (částečném zatížení);

COP_DC

topný faktor při plném výkonu;

C_d

ztrátový součinitel;

CR

součinitel částečného zatížení, jedná se o poměr tepelné ztráty k topnému výkonu tepelného čerpadla [–], nabývá hodnot pouze od 0 do 1.

Detailní informace pro výpočet topného faktoru při částečném zatížení u tepelných čerpadel s ohřevem vzduchu jako teplonosné látky jsou uvedeny v normě. Topný faktor při částečném zatížení COP_pl u tepelných čerpadel s modulací výkonu se zjistí interpolací z naměřených hodnot (je nutné větší počet naměřených bodů). Pokud je potřebný výkon nižší, než je minimální výrobcem udávaný výkon při daných podmínkách, určí se jeho COP_pl stejně jako u jednotek bez regulace výkonu.

Pro určení SCOP je nejprve potřeba určit pro každou teplotu za otopné období tepelnou ztrátu budovy, topný výkon a topný faktor tepelného čerpadla. Z nich se pak určí postupně potřeba tepla budovy, potřeba elektrické energie pro tepelné čerpadlo, teplo dodané z elektrického dohřevu a potřeba elektrické energie pro dohřev. Z bilance za otopnou sezónu se potom určí topný faktor tepelného čerpadla v době jeho chodu SCOP_on. Pro ilustraci je příklad výpočtu naznačen v tab. 2. Zvýrazněné body v tab. 2 jsou získané měřením při zkoušce podle ČSN EN 14825. Zbytek je zjišťován lineární extrapolací a interpolací naměřených hodnot. Například topný výkon tepelného čerpadla při venkovní teplotě −4 °C se určí podle (2)

(2) [kw]

kde je

Q₋₇

naměřený topný výkon při venkovní teplotě −7 °C [kW];

Q₂

naměřený topný výkon při venkovní teplotě 2 °C [kW];

Q₋₄

počítaný topný výkon při venkovní teplotě −4 °C [kW];

Lineární extrapolace se počítá podle stejné logiky jako interpolace. Do výpočtu jsou dosazeny dva nejbližší změřené body.

Další výpočet již přímo určuje celkový sezónní topný faktor SCOP [–] podle vztahu

(3)

kde je

Q_h

potřeba tepla na vytápění za otopnou sezónu [kWh/rok];

H_TO

počet hodin ve vypnutém stavu na termostatu [h/rok];

P_TO

příkon jednotky ve vypnutém stavu termostatu [kW];

H_SB

počet hodin v pohotovostním režimu [h/rok];

P_SB

příkon jednotky v pohotovostním režimu [kW];

H_CK

počet hodin v režimu zahřívání skříně kompresoru [h/rok];

P_CK

příkon v režimu zahřívání skříně kompresoru [kW];

H_OFF

počet hodin ve vypnutém stavu [h/rok];

P_OFF

příkon ve vypnutém stavu [kW].

Zkušební postupy pro stanovení jednotlivých provozních stavů (při vypnutém termostatu, v pohotovostním režimu a v režimu zahřívání skříně kompresoru) jsou uvedeny v normě ČSN EN 14825. Počty hodin pro dosazení do rovnice (3) jsou uvedeny ve Sdělení Komise 2014/C 207/02 [4] k Nařízení Komise 811/2013. Výsledná vypočtená hodnota SCOP je hlavním vstupním údajem pro výpočet energetické účinnosti provozu tepelného čerpadla pro vytápění pro účely zařazení tepelného čerpadla do příslušné energetické třídy pro potřeby štítku [2] nebo splnění požadavku na ekodesign [3].

Závěr

Sezónní topný faktor SCOP tepelného čerpadla vyjadřuje jeho provozní efektivitu v režimu vytápění pro zjednodušené definované provozní podmínky (zvolená tepelná ztráta budovy, nízkoteplotní nebo vysokoteplotní otopná soustava) a klimatické podmínky (klimatická oblast). SCOP se získá výpočtovým postupem podle normy ČSN EN 14825 s použitím korekcí a okrajových podmínek daných legislativními dokumenty pro štítkování tepelných čerpadel a s využitím hodnot získaných ze zkoušení tepelných čerpadel podle ČSN EN 14511. Hodnota SCOP mnohem více postihuje reálnou provozní efektivitu daného tepelného čerpadla pro srovnání různých druhů tepelných čerpadel (podle druhu zdroje tepla) a typů od jednotlivých výrobců než doposud uváděná jediná hodnota jmenovitého topného faktoru za standardních podmínek.

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.

Literatura

• [1] 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.
• [2] 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.
• [3] Nařízení Komise 813/2013 – požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů a kombinovaných ohřívačů. Brusel 2013.
• [4] Sdělení Komise 2014/C 207/02 k nařízení komise EU č. 811/2013, Brusel 2014.
• [5] ČHMÚ: Měsíční přehled meteorologických měření a pozorování observatoře Praha Karlov, rok 2002 až 2007.
• [6] ČSN EN 14511 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Část 1 až 4. ÚNMZ 2014.