Sprawność pomp ciepła zdecydowała o ich karierze jako oszczędnych źródeł ciepła. Jednak czy właśnie o sprawności możemy mówić w kontekście procesów zachodzących w pompach ciepła? Dlaczego obecnie stosowanym parametrem jest współczynnik efektywności COP lub SCOP? Na te pytania postaram się odpowiedzieć w niniejszym artykule.

Sprawność, efektywność to w najprostszym ujęciu iloraz celu do kosztów.

Im wyższa wartość sprawności i efektywności tym lepiej.

Ludowa lekcja ekonomii
Znajomy powiedział mi kiedyś żartem, że są dwa rodzaje rur do budowy płotu – kombinowane oraz kupne. O ile stosowanie rur kombinowanych opłaca się, to stosowanie tych kupnych już nie. Pojęcie kombinowane jest bardzo pojemne i załóżmy, że tutaj oznacza znalezione na złomie. Wrócimy jeszcze do tego kombinowania.

W przypadku sprawności i efektywności źródeł ciepła celem jest wytworzenie i zazwyczaj również dostarczenie energii do naszego domu, a kosztem jest ilość energii jaką musieliśmy w tym celu zużyć. Naszym kosztem jest energia główna potrzebna do realizacji samego procesu (spalanie – kotły, obieg Lindego – pompa ciepła). W zależności od podejścia do tematu i stosowanych wskaźników lub norm do naszego kosztu oprócz energii głównej wlicza się lub nie także energię pomocniczą potrzebną dla pomp obiegowych, regulacji, itp. – co ma bardzo duży wpływ na otrzymywane wartości, ale o tym później.

W przypadku kotłów sprawa jest prosta ponieważ naszym celem jest wytworzenie energii cieplnej, którą zobaczymy po stronie wodnej, a kosztem energia chemiczna paliwa jaką musimy dostarczyć do procesu spalania. W ten sposób można najogólniej zdefiniować sprawność kotła.

Sprawność można powiedzieć, opisuje sposób transformacji jednej energii w drugą i z formalnego punktu widzenia nie powinniśmy używać pojęcia sprawności dla pomp ciepła.

Dlaczego efektywność, a nie sprawność? 
Zgodnie z II Zasadą Termodynamiki (II ZT) nie istnieje sprawność wyższa niż 100 %. W przypadku kotłów kondensacyjnych czasami podawana jest sprawność powyżej 100 %. Jednak z punktu widzenia termodynamiki wszystko się zgadza ponieważ przy obliczaniu sprawności kotłów kondensacyjnych, zgodnie ze starymi normami, jako koszt bierzemy energię wartości opałowej, a nie ciepła spalania – pisałem już o tym na łamach Polskiego Instalatora.

W przypadku pomp ciepła (PC) nie można mówić o ich „sprawności” jako takiej, ponieważ po stronie kosztu widzimy energię główną potrzebną do realizacji procesu powiększoną, lub nie, o energię pomocniczą (pompy obiegowe, sterowanie). Po stronie celu widzimy energię grzewczą, a ta zawiera w sobie przede wszystkim „skombinowaną” właśnie z otoczenia energię grzewczą. Formalnie proces produkcji ciepła w kotle i PC różni się co do zasady. Obliczając sprawność PC otrzymywalibyśmy wartości 300 ÷ 500 % (i więcej) co oznaczałoby, że PC sama z siebie wytwarzałaby energię, tak jak „perpetuum mobile” (z łac. „wiecznie poruszające się”), którego nigdy nie udało się skonstruować. Pompa ciepła sama z siebie nie wytwarza energii – zgodnie z paradygmatami fizyki, jest to po prostu niemożliwe.

COP wchodzi na ring
Aby uniknąć powyższych nieścisłości czy energia grzewcza jest częściowo podbierana z otoczenia czy też nie, w przypadku pomp ciepła wprowadzono współczynnik efektywności pomp ciepła tzw. COP (ang. Coefficient of Performance). COP definiuje nam ilość uzyskanej mocy grzewczej w stosunku do zaangażowanej mocy potrzebnej do napędu PC. Jak zobaczymy dalej ogólny wzór na obliczanie współczynnika COP jest taki sam jak dla sprawności, jednak mówiąc o współczynniku COP wiemy, że oceniamy niejako efektywność podwyższania potencjału grzewczego ciepła (poprzez podwyższenie jego temperatury).

W przypadku pompy ciepła energia grzewcza pobierana jest z tzw. dolnego źródła ciepła (DZC), którym może być: powietrze, grunt, woda gruntowa lub cieków wodnych. Pompa ciepła za pomocą procesów termodynamicznych podnosi temperaturę pobieranego ciepła do takiej wartości aby można je było wykorzystać w naszej instalacji grzewczej, w tzw. górnym źródle ciepła (GZC).

Idealną temperaturą otoczenia dla większości ludzi jest +20 [°C], i zgodnie z II ZT ciepło płynie od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej. Zgodnie z tym czynnik grzewczy przekazujący ciepło do instalacji CO powinien mieć temperaturę rzędu min. 35 ÷ 40 [°C]. Im wyższa temperatura czynnika grzewczego tym mniejszą powierzchnię potrzebujemy do przekazania ciepła do instalacji grzewczej ale w przypadku PC spada nam współczynnik COP. To dlatego instalacje grzewcze z PC najlepsze sprawności osiągają instalacjami ogrzewania podłogowego, które dzięki dużej powierzchni wymiany ciepła pozwalają na przekazywanie energii przy niskiej temperaturze czynnika grzewczego.

Wzór na obliczenie współczynnika COP możemy zapisać jak poniżej:

W przykładzie przedstawionym na rysunku 1 współczynnik COP wyniesie:

Zakładamy, że cała energia napędowa sprężarki została oddana do czynnika grzewczego a straty na sprężarce zamienione na ciepło i także oddane do czynnika grzewczego.

Jeżeli spojrzymy na wykres pracy h-p (entalpia – ciśnienie) sprężarkowej PC to składniki biorące udział w obliczaniu współczynnika COP będzie można zobrazować w następujący sposób (rys. 2).

Na wykresie widzimy, że musimy dostarczyć energię elektryczną do napędu sprężarki (to nasz koszt), a uzyskujemy energię cieplną oddaną do budynku (to nasz cel). Pewnie Państwo zauważyli, że używam tutaj pojęcia energia zamiast moc. Przy obliczaniu współczynnika COP lub sprawności możemy posługiwać się energią lub mocą. Moc (wyrażana w [W] – Watt) jest energią (wyrażana w [J] – Joul lub praktycznie, technicznie w [kWh]) przekazaną w określonym czasie np. 1 [s] lub 1 [h]. Ważne żeby w liczniku i mianowniku były takie same wielkości – albo tylko moc albo tylko energia.

Warto nadmienić, że współczynnik COP zazwyczaj rośnie wraz ze wzrostem temperatury DZC i spadkiem temperatury GZC -> lato w przypadku powietrznych pomp ciepła (PC-pwt). Z kolei współczynnik COP spada wraz ze spadkiem temperatury DZC i wzrostem temperatury GZC -> zima w przypadku PC-pow. W przypadku gruntowych/solankowych pomp ciepła (PC-grnt) temperatura DZC jest w miarę stabilna przez cały sezon, zmienia się oczywiście temperatura GZC. Dzieje się tak ponieważ nasza PC musi „dźwignąć„ temperaturę czynnika z niższego poziomu na wyższy. Widać to dobrze na poniższym wykresie – rys. 3.

Na wykresie przedstawionym na rys.3 widać, że ilość energii potrzebnej do sprężania (zaznaczona na granatowo) jest większa w stosunku do energii oddanej do budynku, niż na wykresie na rys.2. O ile na rys.2 możemy mówić o COP = 3,5, to na rys. 3 COP = 2,5.

Widzimy, że współczynnik efektywności pomp ciepła COP określna nam efektywność w danych warunkach (temperatury DZC i GZC). W przypadku PC, a zwłaszcza PC powietrznych, takie opisanie efektywności jest niewystarczające, ponieważ w ciągu całego roku występują różne temperatury zewnętrzne / DZC od -25 [°C] do + 35 [°C]. W związku ze zmiennymi temperaturami zewnętrznymi przy sterowaniu pogodowym czynnik grzewczy / GZC musi mieć temperaturę od + 35 [°C] nawet do + 55 [°C] i więcej (oczywiście w zależności od zastosowanego systemu grzewtości przy temperaturze powietrza zewnętrznego +2 [°C] i średniej temperaturze wody grzewczej +45 [°C]. A co z resztą sezonu grzewczego?

Oczywiście można mniemać, że PC nr.1, o wyższym współczynniku COP, niż PC nr.2, będzie również lepsza także przy innych warunkach, ale może być również inaczej.

Czasami możemy natknąć się na współczynnik COP_IN opisujący współczynnik efektywności dla całej instalacji. Jednak współczynnik tenprzejmuje niedoskonałości swojego pierwowzoru ponieważ uwzględnia sytuację dla danych parametrów.

gdzie:
Q_G – energia grzewcza przekazana do instalacji CO [kWh],
E_G – energia główna dla pompy ciepła [kWh],
E_P – energia pomocnicza zużyta przez pompy obiegowe, automatykę, regulatory itp. 

Powyższe niedoskonałości współczynnika COP były przyczyną wprowadzenia nowej normyodnośnie obliczania efektywności PC. Przed 2005 r.współczynnik COP obliczany był zgodnie z normą EN255. Norma ta nakazywała obliczanie współ-czynnika COP tylko w jednym punkcie. W przypad-ku PC-grnt dla parametrów B0/W35, a dla PC-pwt – A2/W35. Dodatkowo różnica temperatur międzyzasilaniem a powrotem w przypadku normy EN255wynosiła 10 [K]. Z tego wynika, że PC badane były w obiegach grzewczych pracujących na parame-trze 35/25 [°C] -> średnia temperatura 30 [°C]. Problem w tym, że DT (wychłodzenie czynnika)w obiegu grzewczym, również zmienia się w ciągusezonu grzewczego. Im zimniej na dworze tym DTjest większe i odwrotnie – w cieplejsze dni DT jestmniejsze. W roku 2005 wprowadzono więc normęEN14511, która nakazuje obliczać współczynnik COP w co najmniej 5 charakterystycznych punk-tach pomiarowych dla temperatur zewnętrznych (T_ZWN) +12, +7, +2, -7, -15 [°C]. Dodatkowo nowanorma nakazuje obliczanie współczynnika COP dla DT = 5 [K]. Teraz średnia temperatura w obie-gu grzewczym wzrosła z 30 do 32,5 [°C] co po-woduje wzrost średniego ciśnienia w skraplaczu. Wyższe ciśnienie w skraplaczu oznacza większe nakłady energetyczne sprężarki i spadek współ-czynnika COP.

Jakby tego było mało, nowa norma przy obliczaniu współczynnika COP nakazuje uwzględnić energię pomocniczą potrzebną do zasilania pomp obiegowych, wentylatorów oraz regulatorów.

Współczynniki COP obliczane zgodnie z nowąnormą EN14511 wychodziły o kilka procent gorszeniż te obliczane zgodnie ze starą normą EN255. Reasumując – porównanie współczynników COP dwóch PC liczonych wg. EN255 w pierwszym przypadku i wg. EN14511 w drugim przypadku jest niedopuszczalne, ponieważ będzie wprowadzało w błąd.

Norma EN14511 wprowadza także minimalne dopuszczalne wartości współczynnika COP, który dla powietrznych pomp ciepła w warunkach A2/W35 wynosi COP_min = 3,1 a dla gruntowych pomp ciepła dla B0/W35 COP_min = 4,3.

Czas na współczynnik SCOP
Jednak rynek europejski jest duży, a pompy ciepła pracują w krajach o różnym klimacie – od Norwegii do Grecji. Kolejnym więc krokiem w kierunku ujednolicenia i uproszczenia oceny różnych pomp ciepła było wprowadzenie normy EN14825. Norma wprowadziła współczynnik SCOP (ang. Seasonal Coefficient Of Performance) czyli sezonowy współczynnik efektywności pomp ciepła.

SCOP mówi nam ile energii cieplnej (już nie mocy – ponieważ rozpatrujemy okres czasu o długości roku) uzyskamy w sezonie grzewczym w stosunku do energii doprowadzonej. SCOP podawany jest dla założonej dla instalacji temperatury wody grzewczej w warunkach projektowych. Wzór na współczynnik SCOP wygląda jak poniżej i odnosi się do całego sezonu grzewczego:

Współczynnik SCOP wyznaczany jest dla różnych stref klimatycznych.

Norma EN14825 pod względem klimatycznym podzieliła Europę na 3 strefy klimatyczne: gorąca (kolor pomarańczowy), umiarkowana (k. zielony), zimna (k. niebieski) – rys. 5.

Właściwości poszczególnych stref klimatycznych zostały opisane zgodnie z warunkami klimatycznymi panującymi w zaznaczonych miastach:

• Helsinki, Finlandia, strefa zimna, temperatura obliczeniowa T_ZWN = – 22 [°C],
• Strasburg, Francja, strefa umiarkowana, temperatura obliczeniowa T_ZWN = – 10 [°C],
• Ateny, Grecja, strefa gorąca, temperatura obliczeniowa T_ZWN = + 2 [°C].

Zwróćmy uwagę, że na podstawie wartości współczynnika SCOP możemy już z dużym przybliżeniem oszacować jakie będą roczne koszty ogrzewania budynku przy użyciu danej pompy ciepła. W projekcie domu mamy podaną wartość energii użytecznej do celów grzewczych. Przekształcając odpowiednio wzór na SCOP możemy dojść do zużycia energii elektrycznej w roku a następnie znając cenę energii elektrycznej do rocznych kosztów ogrzewania.

Wskaźniki SPF, JAZ
Jeżeli w rzeczywistości przez rok będziemy mierzyć w danym budynku ilość wyprodukowanego ciepła i doprowadzonej energii elektrycznej to stosując odpowiednie metodologie obliczeń możemy obliczyć tzw. sezonowy wskaźnik wydajności SPF (ang. Seasonal Perfomance Factor), który obowiązuje dla danego budynku z zainstalowaną PC i danej rodziny z jej preferencjami odnoście temperatur wewnętrznych i zużycia CWU.

SPF przypisany jest tylko do danego domu z jego wyposażeniem i zamieszkującą rodziną. Nie ma żadnej wartości handlowej jeżeli chodzi o zainstalowaną pompę ciepła.

Odpowiednikiem SPF w Niemczech i Austrii jest JAZ (niem. Jahresarbeitszahl).

Ciąg dalszy nastąpi
Obecnie pompy ciepła klasyfikowane są ze względu na współczynnik SCOP, co można zobaczyć na etykiecie energetycznej i karcie produktu, które zostaną omówione w kolejnym artykule.