Tepelná čerpadla: Část 4 - Hodnocení efektivity tepelných čerpadel s kompresorem

12.2.4

Tepelná čerpadla: Část 4 – Hodnocení efektivity tepelných čerpadel s kompresorem

Ing. Bohumír Číhal

Energetickou efektivitu většiny zařízení posuzujeme podle jejich účinnosti, která je dána poměrem mezi získanou energií a energií dodanou. Každé zařízení má určité ztráty, proto je účinnost vždy menší než 100 %. Pokud bychom chtěli zjistit skutečnou účinnost tepelného čerpadla, museli bychom do výpočtu zahrnout i teplo odebrané z okolního prostředí. Vzhledem k tomu, že teplo odebrané okolnímu prostředí získáváme bez jakýchkoliv nákladů, můžeme při hodnocení efektivity tepelných čerpadel tuto položku eliminovat.

Pro srovnávání tepelných čerpadel mezi sebou jako výrobků, se používá celá řada parametrů (srovnávacích kritérií) lišících se úhlem pohledu a způsobem hodnocení jejich provozu. V dalším textu představíme některé parametry a ukážeme oblast jejich použití.

Energetickou kvalitu tepelných čerpadel jako výrobků vyjadřují dva související parametry – jmenovitý topný faktor COP a sezónní topný faktor SCOP. Parametr 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 proto se chování tepelného čerpadla v reálném nasazení v konkrétní instalaci (budově, otopné soustavě, nastavení regulace) může od těchto údajů odchylovat.

 NahoruTopný faktor 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 (143010): 2019 Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin, tepelná čerpadla pro ohřívání a chlazení prostoru a procesní chladiče, s elektricky poháněnými kompresory - Část 1: Termíny a definice.

Topný faktor COP [–] je poměr topného výkonu k celkovému elektrickému příkonu jednotky za ustálených provozních podmínek:

kde je

Φ tepelný výkon tepelného čerpadla [kW];

P_c elektrický příkon kompresoru [kW];

P_aux elektrický příkon potřebný pro překonání tlakové ztráty výparníku a kondenzátoru, odtávání výparníku a vlastní regulaci tepelného čerpadla (expanzní ventil, vyhřívání kompresoru jako ochrana proti kondenzaci chladiva, apod.) [kW].

Topný faktor je bezrozměrné číslo [–], jeho velikost se stanovuje z laboratorního měření při různých provozních podmínkách (teploty na vstupu do výparníku, teploty na výstupu z kondenzátoru) pro zachycení dostatečného provozního rozsahu.

Běžně se topný faktor pohybuje v rozmezí od 2,5 do 5. Není ovšem veličinou, která by byla k danému tepelnému čerpadlu jednou provždy přiřazena. Mění se podle podmínek, v nichž tepelné čerpadlo pracuje.

Při provozu tepelného čerpadla může topný faktor kolísat, v závislosti na provozních podmínkách, mezi hodnotou 1,5 až 7. Při vyjádření velikosti topného faktoru se lze setkat například se zápisem:

COP při A2 °C/W35 °C je 3,5 dle EN 14 511.

Přeloženo do srozumitelného jazyka: jedná se o tepelné čerpadlo, které má při vstupu vzduchu (AIR) o teplotě 2 °C a výstupu do topného okruhu vodu (WATER) o teplotě 35 °C topný faktor 3,5. Měření proběhlo v exaktních podmínkách dle metodiky evropské normy ČSN EN 14 511.

 NahoruSrovnávání hodnoty topného faktoru tepelných čerpadel

Čím je vyšší topný faktor, tím lepší je tepelné čerpadlo a jeho provoz by měl být levnější. Topný faktor se však mění podle okolních podmínek. Pro porovnání dvou tepelných čerpadel podle topného faktoru je vždy nutné znát podmínky, za kterých je uvedený topný faktor dosažen, tedy teploty vstupního a výstupního média.

Topný faktor je příznivější, pokud je teplota výstupní vody nižší. Z tohoto hlediska je výhodné instalovat s tepelnými čerpadly podlahové topení, kterému stačí pro provoz nižší teplota než radiátorům.

Tepelné čerpadlo spotřebovává více energie při velkém rozdílu teplotních hladin. V praxi to znamená, že je výhodnější používat zdroje tepla o vyšší teplotě a teplo dodávat do systému o co nejnižší teplotě.

Různé typy tepelných čerpadel mají různé hodnoty parametrů, při kterých se vzájemně srovnávají. Pro tepelná čerpadla typu vzduch/voda se parametry udávají nejčastěji při A 2°C/W 35°C a A7 °C/W35 °C, pro tepelná čerpadla typu země/voda je to při A 0 °C/W 35 °C a pro tepelná čerpadla typu voda/voda A 10 °C/W 35 °C.

Hodnotu topného faktoru, kromě elektrického příkonu kompresoru, ovlivňuje celá řada dalších příčin. Především jsou to nedokonalé vlastnosti použitých součástek a kapalin (tepelné a tlakové ztráty, tření a podobně). Tepelné čerpadlo potřebuje elektřinu nejen pro pohon kompresoru, ale i pro oběhová čerpadla, případně ventilátory. Spotřeba oběhových čerpadel u tepelného čerpadla se zemním kolektorem nebo hlubinnými vrty je relativně malá (ale nelze ji zanedbat), daleko vyšší je potřeba ventilátorů u systémů využívajících venkovní nebo vnitřní vzduch. Spotřeba oběhového čerpadla vlastního ústředního topení se do celkového topného faktoru nezapočítává (systém by potřeboval oběhové čerpadlo i v případě použití jiného zdroje). Rovněž u dotačních programů, kde je vyžadován určitý minimální topný faktor, může být rozdíl mezi teoretickým a skutečným topným faktorem rozhodující.

Topný faktor COP se nehodí pro porovnání tepelných čerpadel vzduch/voda (u kterých se provozní podmínky mnohem více mění) a je lepší pracovat s topným faktorem SCOP nebo energetickou účinností.

Sezónní topný faktor SCOP (Seasonal Coefficient Of Performance)

Teplota zdroje (vzduch, půda, voda) během roku kolísá, mírně může kolísat i výstupní teplota z tepelného čerpadla. Topný faktor SCOP ukazuje průměrnou hodnotu topného faktoru za celou topnou sezónu. Je základním faktorem hodnotícího kritéria Sezónní energetická účinnost vytápění všech zdrojů tepla popsaných v Nařízení Komise č. 811/2013 (uvádění spotřeby energie na energetických štítcích a poskytování doplňujících informací o výrobku).

kde je

Q_H – roční potřeba tepla [kWh];

Q_HE – roční potřeba elektrické energie na vytápění [kWh].

Hodnota sezonního průměrného topného faktoru SCOP se stanovuje, postupem podle ČSN EN 14825 (143011): 2020 Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla, s elektricky poháněnými kompresory, pro ohřívání a chlazení prostoru - Zkoušení a hodnocení při podmínkách s částečným zatížením a výpočet sezonní výkonnosti, na základě dat z testování tepelného čerpadla ve zkušebně a klimatických dat. V laboratoři se zjistí topný faktor při určité teplotě (například 5 °C), z klimatických dat se zjistí kolik hodin za rok tato…