Efektywność pompy ciepła. Co oznaczają skróty COP, SCOP, SPF i JAZ?

„Sprawność”, „Wydajność”, „Efektywność” pompy ciepła

Na początek musimy uporządkować pewne terminy, które bardzo często są często używane w branży pomp ciepła w sposób zamienny, często nieuzasadniony lub nawet błędny. Sprawność to bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu dane urządzenie, lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci. Sprawność wyrażana jest jako ułamek, często w zapisie procentowym. Z zasady zachowania energii, której wyrazem w termodynamice jest pierwsza zasada termodynamiki, wynika, że sprawność nie może być większa od jedności, czyli od 100%. W odniesieniu do powietrznych, sprężarkowych pomp ciepła, sprawność oznaczałaby w jakim stopniu pompa ciepła jest w stanie przekształcić energię elektryczną zużywaną przez sprężarkę w energię cieplną. Pompy typu powietrze-woda wykorzystują dodatkowo energię pozyskaną z powietrza, nieuwzględnianą w tym równaniu, przez co obliczeniowa sprawność jest zawsze większa od jedności, a więc z definicji nie może być nazywana sprawnością. Z tego powodu, w przypadku pomp ciepła wprowadzono wskaźnik COP, który raczej jest tutaj wydajnością, wyrażającą stosunek ilości energii cieplnej dostarczonej przez pompę ciepła do tzw. górnego źródła ciepła (czyli do naszego mieszkania) do ilości energii elektrycznej niezbędnej do jej działania (zasilanie sprężarki i pomp obiegowych). Efektywność definiowana jest ogólnie jako stopień osiągnięcia celu. Dla przykładu efektywność energetyczna pompy ciepła. Miarą tej wielkości w tym akurat przypadku będzie efektywne wykorzystanie energii mające na celu zmniejszenie ilości energii elektrycznej potrzebnej do wytworzenia oczekiwanego komfortu ciepła przez pompę ciepła. To co jest najważniejsze efektywność jest pojęciem szerszym od wydajności energetycznej. Zwiększenie wydajności energetycznej pompy ciepła nie zawsze też prowadzi do polepszenia jej efektywności. Uzasadnimy to w niniejszym artykule [1][2][8][9].

Współczynnik COP pompy ciepła

Współczynnik COP pompy ciepła (ang. Coefficient Of Performance), określa umowną wydajność urządzenia, która w znacznym stopniu zależy od elementów budowy pompy ciepła. Nie jest to jednak wielkość stała ponieważ zmienia się w czasie. Można przyjąć, że jest to wartość znamionowa pomp ciepła, która opisuje proporcję pomiędzy wyprowadzoną z urządzenia energią cieplną, a doprowadzoną energią elektryczną w określonych warunkach zewnętrznych wraz z jednoznacznie określonymi urządzeniami pomocniczymi pompy ciepła (pompy obiegowe, sterowanie itp.). COP odnosi się do dwóch konkretnych źródeł energii, którymi są [1][2][6][8]:

1. źródło dolne – grunt, woda lub powietrze, które umożliwiają ogrzanie czynnika chłodniczego w pompie ciepła w ekologiczny sposób;

2. źródło górne – instalacja grzewcza, do której ciepło jest przekazywane przez czynnik chłodniczy i która oddaje ciepło w pomieszczeniu, np. ogrzewanie podłogowe lub grzejniki.

Współczynnik COP można wyrazić następującym wzorem:

COP = QHP / EEL, gdzie:

QHP – ciepło oddawane przez pompę [J]

EEL – energia elektryczna pobierana przez pompę [J]

Z tego wynika, że im wyższy współczynnik COP pompy ciepła, tym więcej ciepła można wytworzyć przy zużyciu tej samej ilości energii elektrycznej. W trakcie porównywania ze sobą pomp ciepła różnych producentów warto upewnić się, że współczynnik COP jest określony na podstawie tej samej normy. Obecnie COP należy odnosić do normy PN-EN 14511 [1][2][5][6].

Warto sobie zdawać sprawę, że obowiązują tzw. minimalne wymagane wartości COP dla pomp ciepła (zgodnie z normą PN 14511):

Czy wartość COP stanowi najlepszą podstawę do oceny powietrznych pomp ciepła? Tutaj bywa różnie. Warto pamiętać, że zgodnie z normą warunki pomiaru podaje się przeważnie dla optymalnych warunków pracy – np. COP = 4,0 dla A2/W35, gdzie A2 to temperatura zewnętrzna 2°C, a W35 to temperatura wody 35°C. Ale to nie wszystko. Zdarza się, że w specyfikacji technicznej podawane wartości COP odbiegają od wymaganych aktualną normą PN-EN 14511 – szacuje się, że w Polsce dotyczy to około 5% przypadków, przede wszystkim rozwiązań z tzw. „niższej półki”. Na co zwrócić uwagę czytając dane techniczne pomp ciepła w zakresie wskaźnika COP aby nie popełnić błędu? Poniżej działania producentów pomp ciepła, które utrudniają poprawą interpretację tego wskaźnika [6][7][8][9]:

• Wskaźnik COP podany wg starej normy. W niektórych specyfikacjach możemy się spotkać z określeniem COP wg dwóch norm – obowiązującej PN-EN 14511 oraz poprzedniej, nieaktualnej już, dla gruntowych i powietrznych pomp ciepła do c.o., PN-EN 255. Zdarza się też, że podawana wartość wyliczana jest jedynie na podstawie tej starej normy. Aby uniknąć nieporozumień należy sprawdzać COP zawsze wg aktualnej normy PN-EN 14511.

• Określanie COP bez podania parametrów dolnego i górnego źródła. W przypadku pomp ciepła typu powietrze/woda, czasem podawana jest wartość COP jedynie dla parametrów A7/W35, a nie dla parametrów A2/W35. Tymczasem dla temperatury powietrza poniżej 5°C następuje duży spadek COP w stosunku do COP dla A7/W35. Różnica pomiędzy COP dla A7/W35 a A2/W35 może sięgać nawet kilkudziesięciu procent!

• Brak uwzględnienia energii elektrycznej zużywanej przez pompę obiegową c.o. Norma PN-EN 14511 bierze pod uwagę część energii elektrycznej pompy obiegowej związaną z oporami hydraulicznymi skraplacza. Tymczasem w praktyce zdarza się, że w karcie technicznej brakuje uwzględnienia części energii elektrycznej związanej z pompą obiegową c.o. W efekcie widzimy zawyżoną wartość wskaźnika COP.

• Brak uwzględniania pomp dolnego i górnego źródła. Czasem COP pompy ciepła podaje się bez uwzględnienia pomp obiegowych dolnego źródła i górnego źródła. O ile pojawia się wówczas stosowna adnotacja, to taka sytuacja jest akceptowalna. Zdarza się jednak, że takiej informacji brak, dzięki czemu podany wskaźnik COP jest sztucznie zawyżony

• Wysokie COP dla urządzeń bez wbudowanych pomp obiegowych dolnego i górnego źródła. Zawyżona wartość COP dotyczy także urządzeń, które nie mają wbudowanych pomp obiegowych c.o. i/lub dolnych źródeł. W ramach testów stosuje się wówczas dodatkową pompą obiegową, nierzadko o bardzo wysokiej, niemożliwej do powtórzenia w praktyce domowej wartości.

Reasumując: współczynnik COP uwzględnia ilość zużytej energii elektrycznej i dostarczonej energii cieplnej w danej chwili (nie jest on więc wartością stałą, a jedynie chwilową, która zmienia się wraz z temperaturą). Dlatego też, nie wskaże nam on tego, ile zapłacimy za ogrzewanie domu.

Współczynnik SCOP pompy ciepła

Coraz częściej stosowany współczynnik SCOP (ang. Seasonal Coefficient Of Performance) pozwala użytkownikowi porównać szacowaną wydajność energetyczną różnych pomp ciepła, różnych producentów, a do tego oszacować koszty zużycia energii niezbędnej dla ogrzewania szacowanego domu. SCOP jest to szacowana ilość energii cieplnej dostarczonej do ogrzewania określonego domu, do ilości zużytej przy tym energii elektrycznej w określonym czasie, np. w ciągu roku.

Wskaźnik SCOP wbrew pozorom też ma swoje ograniczenia - nie jest idealny. Warto wiedzieć, że na wartość SCOP szczególnie dla powietrznych pomp ciepła wpływają [8][9]:

• Moc grzewcza budynku. Ta sama pompa ciepła w bardzo podobnych budynkach może mieć różny SCOP. Wynika to choćby z tego, że mimo takiego samego zapotrzebowania na ciepło, domownicy będą preferowali inne temperatury. Każdy ma po prostu inny preferowany komfort ciepła.

• Rodzaj instalacji grzewczej. Nawet jeśli budynki mają takie same parametry SCOP może się on różnić z powodu odmiennych instalacji grzewczych. Jedne niskotemperaturowe systemy grzewcze wymagać będą temperatury wody zasilającej instalację na poziomie np. 30°C przy mrozach, inne natomiast 40°C.

• Wahania temperatury zewnętrznej. W naszym klimacie wahania bywają duże. W ciągu roku może to być nawet w skrajnych przypadkach od -25°C zimą, do +35°C latem. Także w ciągu doby wynosić mogą one nawet kilkanaście stopni (zwłaszcza wiosną i jesienią). Ponadto Polska podzielona jest na pięć stref klimatycznych, które pozwalają określić podstawowe parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego (inne wyniki SCOP uzyskają więc podobne domy, ale położone w innej strefie klimatycznej).

Etykiety energetyczne i karty produktu opisujące pompy ciepła

Jak napisaliśmy poleganie tylko i wyłącznie na wskaźniku COP może być problematyczne. Współczynnik ten nie daje pełnej informacji o kosztach użytkowania całej instalacji, gdyż odnosi się do konkretnych, laboratoryjnych warunków testowych. Stąd coraz częściej korzystamy ze współczynnika SCOP. Dodatkowo z pomocą inwestorom oraz instalatorom przyszła Unia Europejska, która wprowadziła nowe wymagania w zakresie efektywności energetycznej produktów związanych z energią i mających wpływ na środowisko. Ważne są tutaj dwie Unijne Dyrektywy [2][6][8][10]:

• ErP (Energy-related Products): Dyrektywa o produktach związanych z energią (2009/125/WE) - Rozporządzenia KE dotyczące ekoprojektu oraz określające m. innymi minimalne dopuszczalne wymagania efektywności energetycznej dla urządzeń oraz wymogi informacyjne.

• ELD (Energy Labelling Directive): Dyrektywa w sprawie etykietowania energetycznego (2010/30/UE) - Rozporządzenia KE dotyczące etykiet i kart produktów informujących o klasie efektywności energetycznej urządzeń i zestawów (zastąpiona przez rozporządzenie PE i Rady UE 2017/1369 z dnia 4 lipca 2017 r. ustanawiające ramy etykietowania energetycznego i uchylające dyrektywę 2010/30/UE).

Ustawodawstwo unijne określa minimalne dopuszczalne wymagania dotyczące efektywności produktów zużywających energię. Od 26 września 2015 r. przepisy unijne obejmują również urządzenia grzewcze i pojemnościowe podgrzewacze ciepłej wody. Dla producentów oznacza to obowiązek umieszczania na produktach etykiet zawierających m.in. informacje o sprawności energetycznej urządzenia, rocznym zużyciu energii czy poziomie hałasu. Z kolei instalatorzy muszą dodatkowo obliczyć i przedstawić klientowi dane dotyczące efektywności całego systemu.

Celem unijnego ustawodawstwa jest wspieranie i promowanie projektowania produktów związanych z energią w sposób energooszczędny i chroniący zasoby naturalne. Produkty podzielone są na grupy produktowe, tak zwane „lots”. Dla pomp ciepła znaczenie ma lot 1 dla domowych i wielofunkcyjnych kotłów grzewczych oraz lot 2 dla urządzeń do przygotowania CWU. Wprowadzono m.in. tzw. etykiety energetyczne na urządzenia grzewcze i przygotowujące wodę użytkową (w tym pompy ciepła). Zawarte w nich klasy energetyczne, od A++ (lub A+++ dla zestawów) do G.

Podstawą przypisania danego urządzenia do klasy jest wyliczona wartość sezonowego (uśrednionego w ujęciu rocznym) współczynnika SCOP, który dodatkowo wzbogacono o stosunek wykorzystanej energii do zużytej energii pierwotnej. Etykiety energetyczne można już sobie wygenerować na stronach wybranych producentów pomp ciepła.

Rozporządzenie EU dotyczące etykiet energetycznych definiuje wygląd etykiet energetycznych. Określa ono, które wartości są niezbędne do zaklasyfikowania do określonej klasy efektywności. Etykiety mają ułatwić przede wszystkim konsumentom porównanie produktów i pozwalać na wybór w zależności od efektywności urządzeń.

Rys. Przykładowa interpretacja oznaczeń na etykiecie energetycznej dla pompy ciepła [10]

W przypadku pomp ciepła do ogrzewania przynależność do danej klasy ustalana jest na podstawie rocznego współczynnika efektywności (SCOP). Zależy on z jednej strony od strefy klimatycznej, a z drugiej od potencjalnego systemu grzewczego. Dlatego też Europa została podzielona na trzy strefy klimatyczne. W przypadku grzejników i systemów ogrzewania podłogowego na etykiecie efektywności energetycznej umieszczone są informacje o możliwych klasach efektywności energetycznej w zależności od temperatury zasilania. Oczywiście, sama certyfikacja nie zastąpi wykwalifikowanego instalatora, który przy doborze konkretnego urządzenia weźmie pod uwagę układ grzewczy jako całość, w tym też inne urządzenia pobierające energię – np. grzałki elektryczne uruchamiane przy skrajnie niskiej temperaturze zewnętrznej, czy pompy obiegowe górnego i dolnego zasilania [2][9][10].

Od 26 września 2019 r. nastąpiła zmiana w etykietowaniu urządzeń grzewczych centralnego ogrzewania. Od tej pory, na etykiecie energetycznej urządzenia grzewczego może pojawić się najwyższa klasa energetyczna A+++.

Rys. Klasy energetyczne z uwzględnieniem najwyższej klasy A+++ [10]

Poza etykietą energetyczną producent powinien dostarczyć również tzw. kartę produktu. Karta produktu zawiera podstawowe parametry techniczne dotyczące urządzenia, w tym parametry konieczne dla wyliczenia sezonowej efektywności energetycznej dla zestawów zawierających dane urządzenie. Rozporządzenia dokładnie definiują, jakie informacje muszą być zawarte w karcie produktu. Jest w niej zawarta poza określoną klasą energetyczną, czy mocą znamionową również sezonowa efektywność energetyczna ogrzewania pomieszczeń s w %. Na tej podstawie możemy określić sama wartość SCOP naszego urządzenia. W przypadku powietrznych pomp ciepła SCOP = (s + 3%) × 2,5 [6][7][8][10].

Rys. Wartości SCOP dla poszczególnych klas energetycznych [10]

Wskaźnik SPF i JAZ pompy ciepła

Wskaźnik SPF - (ang. Seasonal Perfomance Factor) jest wskaźnikiem „najbardziej rzeczywistym”. Jest to wskaźnik mierzony, który dotyczy konkretnej instalacji, w określonym sezonie grzewczym i przy określonych warunkach eksploatacji, tj. nastawach pompy ciepła, trybach pracy, określonej ilości ciepłej wody użytkowej o konkretnej temperaturze nastawianej przez użytkowników. Nie możemy go wykorzystać do porównań z inną pompą ciepła, ulotką, producentem czy budynkiem, bo jest on „przypisany” tylko do naszego domu.

Z kolei w Austrii i Niemczech w powszechnym użyciu jest dla działających instalacji z pompami ciepła tzw. roczny współczynnik efektywności energetycznej JAZ (niem. Jahresarbeitszahl). Określa się go, jako stosunek wyprowadzonej z urządzenia energii cieplnej do doprowadzonej energii elektrycznej w okresie roku, odniesiony do konkretnej instalacji i budynku. Zakłada się, że im wyższy jest roczny współczynnik efektywności energetycznej, tym wyższa jest rzeczywista sprawność energetyczna instalacji z pompą ciepła.

Oba współczynniki są bardzo podobne (drobne różnice w zapisach norm). Zarówno SPF jak i JAZ mają za zadanie opisać relację pomiędzy energią elektryczną dostarczoną do pompy ciepła, a energią cieplną dostarczoną przez pompę do instalacji w ciągu danego roku. SPF i JAZ umożliwiają też sprawdzenie, czy pompa ciepła rzeczywiście wykorzystuje energię odnawialną, czy jest np. tylko zwykłym elektrycznym urządzeniem grzewczym [6][7][8][9][10].

Podsumowanie

Podsumowując nasze dzisiejsze dyskusje i analizy widzimy, że w branży jest sporo wskaźników jakościowych dla tych urządzeń. Warto wiedzieć jak je interpretować. Zasadnicza rada jest taka, aby nie zakładać literalnie, że wskaźnik COP/SCOP z dokumentacji pompy ciepła „musi” być bezwzględnie uzyskany w ostatecznie zbudowanej instalacji. O wiele bardziej praktycznym podejściem jest cel ekonomiczny. Aby zaplanować jakie koszty mamy zamiar ponieść (albo inaczej: na jakie nas stać) na ogrzewanie naszego domu i przygotowanie ciepłej wody użytkowej. W tym wspomogą nas te wskaźniki, które dzisiaj opisano. Musimy zdawać sobie sprawę, że każdy dom jest inny nie tylko w zakresie jego budowy, ale również preferencji użytkowników co do komfortu cieplnego oraz zachowań (np. więcej domowników bierze prysznic w relacji do domowników preferujących wannę). Najczęściej wskazywany w branży pomp ciepła współczynnik COP jest wskaźnikiem obliczanym w warunkach laboratoryjnych w ściśle określonej temperaturze, co oznacza wykluczenie wpływu wielu istotnych czynników eksploatacyjnych, takich jak np. zmiany temperatury wody w instalacji. Z tego względu wybierając swoje urządzenie grzewcze należy korzystać również ze wskaźników SCOP oraz SPF, ale korzystać również z wiedzą praktyczną jak je interpretować. Podsumowując jak najbardziej powinniśmy:

1. Analizować wskaźniki COP - dla renomowanych producentów to wartość wskazująca jaka pompa jest po prostu w danej chwili bardziej wydajna przy takich samych chwilowych warunkach wyznaczania tego parametru. Sprawdźmy jednak czy analizujemy wartości porównywalne!

2. Porównywać podawane wartości SCOP - tym bardziej, że są one powiązane z obowiązującymi klasami energetycznymi pomp ciepła w Unii Europejskiej. Tutaj jedna zasadnicza uwaga: Bądźmy przy tym uważni i bierzmy od uwagę ograniczenia tego wskaźnika, które wskazano w niniejszym artykule. Czasami niski obliczony wskaźnik SCOP w danym roku może wynikać z danej charakterystyki użytkowej naszego domu – np. dużego zużycia ciepłej wody użytkowej, czy też okresu „wygrzewania” podczas eksploatacji nowego domu w pierwszym sezonie grzewczym itp.

Na koniec. Nie mieszajmy też do powyższych dwóch działań analityczno-porównawczych weryfikacji wskaźnika SPF (czy JAZ). To zupełnie inny wskaźnik. Współczynnik SCOP wykorzystywany jest najczęściej do analiz obliczeniowych dla nowoprojektowanego i jeszcze niezamieszkałego domu. Natomiast w sytuacji, gdy zamontowana pompa ciepła już pracuje, a my dokładnie wiemy, ile ciepła dostarcza i ile prądu w ciągu roku zużywa, to wówczas możliwe jest dopiero obliczenie rzeczywistej efektywności pracy instalacji pompy ciepła – współczynnika SPF. Gdy już mamy wyznaczony wskaźnik SPF, to czy można go do czegoś przyrównać? Przy bogatej bazie danych pomiarowych z dużej ilości opomiarowanych pomp ciepła w danych domach miałoby to jakiś sens. Tak to się dzieje teraz na rynku niemieckim. W Polsce jeszcze nie.

Wskaźnik SPF jednak zdecydowanie nadaje się do określania efektywności zainstalowanej pompy ciepła. O czym wspomnieliśmy we wstępie. Efektywność działania wykazuje np., że koszty ogrzewania z pompą ciepła w domu z bardzo dobrą izolacją termiczną (np. w domu pasywnym), pomimo wyraźnie mniejszej wydajności, wynoszą zdecydowanie mniej niż w domu z gorszą izolacją z pompą o wyższej wydajności.

Wydajność pomp ciepła jest z pewnością wskaźnikiem bardzo ważnym, ale przy ocenie ich działania nie powinien to być aspekt jedyny. Pod każdym względem, korzystniej jest zużywać mniej energii, czasami nawet z mniejszą wydajnością podczas procesu jej przetwarzania niż ją w sumie „marnować” z dużą wydajnością.

Zdecydowanie zachęcamy do takiej idei doboru i oceny działania pompy ciepła w naszym domu. To różni te urządzenia od kotłów gazowych. Dlatego właśnie te urządzenia nazywamy „pompami ciepła”. Pompy ciepła nie grzeją! One „przenoszą energię” dolnego źródła ciepła dzięki przemianie termodynamicznej na poziom oczekiwanego komfortu grzewczego górnego źródła ciepła!

Literatura

1. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego.. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

2. Rubik M.: Chłodnictwo i pompy ciepła, Grupa Medium 2020

3. Zalewski W.: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne. Podstawy teoretyczne. Przykłady obliczeniowe. Masta, 2014

4. Brodowicz K., Dyakowski T.: Pompy Ciepła, PWN, Warszawa 1990

5. Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, WKŁ 2015

6. https://muratordom.pl/instalacje/pompy-ciepla/efektywnosc-pracy-pomp-ciepla-cop-i-scop-jak-je-porownac-aa-HB67-dZwB-WEpr.html

7. www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/id4244,jak-powstaje-etykieta-energetyczna-pompy-ciepla

8. https://instalreporter.pl/ogolna/cop-dla-pomp-ciepla-wartosci-realne-i-te-%E2%80%9Eniezwykle-z-prospektow-reklamowych/

9. https://instalreporter.pl/ogolna/ograniczona-wymowa-wspolczynnika-spf/

10. https://portpc.pl/