Parametry pracy pomp ciepła

Charakteryzując pompę ciepła wymienia się najczęściej jej moc cieplną i chłodniczą, moc elektryczną oraz efektywność. 

Moc pompy ciepła

To ilość energii jaką pompa jest w stanie wytworzyć i przekazać do górnego źródła ciepła. Składa się na nią moc dolnego źródła ciepła i moc elektryczna.

Q3 = Q1 +Q2

gdzie:

Q1 – moc pobierana z dolnego źródła

Q2- moc elektryczna pobierana z sieci

Q3- moc oddawana do górnego źródła

W praktyce wiele pomp ciepła może działać w cyklu grzania lub chłodzenia, dlatego możemy mówić też o mocy cieplnej i mocy chłodniczej pompy ciepła. Moc cieplna to ilość energii w kW oddawana przez pompę do systemu grzewczego w budynku, moc chłodnicza to ilość energii cieplnej w kW pochłaniana z budynku w trakcie chłodzenia.

Efektywność pompy ciepła

To w uproszczeniu stosunek mocy cieplnej (chłodniczej) pompy ciepła do jej mocy elektrycznej. Efektywność pompy ciepła wyrażana jest poprzez współczynnik COP (ang. coefficent of performance) i biorąc pod uwagę powyższy rys. określana jest ze wzoru:

COP = Q3/Q2

Współczynnik COP stosowany jest przy tym do określania sprawności pompy ciepła w układzie grzewczym. Przy pompach pracujących w trybie chłodzenia stosuje sie współczynnik EER (Energy Efficiency Ratio), jako stosunek mocy chłodniczej do mocy elektrycznej pompy ciepła. Współczynnik EER =4 oznacza, że wykorzystując 1kWh energii elektrycznej usunęliśmy z budynku 4kWh ciepła. 

Sprawność pompy ciepła, lub jej efektywność, można też określić na jej wykresie termodynamicznym danego czynnika chłodniczego (rys. poniżej).

Rys. Wykres termodynamiczny pracy pompy ciepła.

Na wykresie takim mamy przedstawione wszystkie przemiany adiabatyczne zachodzące podczas pracy:

  1. Sprężanie – z energią elektryczną pobieraną z sieci przez sprężarkę (odcinek 1-2), ciepło Q2, entalpia rośnie
  2. Skraplanie – proces egzotermiczny z wydzielaniem ciepła i oddawaniem go do górnego źródła (odcinek 2-3 na wykresie), ciepło Q3, entalpia układu spada
  3. Rozprężanie czynnika na zaworze dławiącym (odcinek 3-4), w procesie tym nie zachodzi zmiana entalpii układu, a jedynie spada ciśnienie czynnika.
  4. Parowanie – proces endotermiczny, z pobieraniem ciepła z dolnego źródła w ilości Q1, entalpia układu rośnie

Wykorzystując ten wykres i poziomy entalpii w różnych punktach układu, możemy obliczyć efektywność pompy ciepła ze wzoru:

COP = (E2-E3)/(E2-E1)

Gdzie E oznacza poziom entalpii w poszczególnych fazach pracy pompy ciepła. Na powyższym wykresie COP pompy ciepła wyniesie:

COP = (500-260)/(500-420) = 3

Warto zwrócić uwagę,że współczynnik COP oddaje tylko efektywność chwilową pompy ciepła. Dla pomp typu A/W (powietrze/woda), jest niewiele mówiącym parametrem, bowiem efektywność tych pomp zmienia sie w zależności do temperatury powietrza zewnętrznego. O wiele dokładniejszym parametrem, charakteryzującym sprawność pompy w długim okresie czasu, np. całego sezonu grzewczego jest współczynnik SPF (ang. Seasonal Performance Factor). W Europie możemy się spotkać z jeszcze innymi wskaźnikami sprawności pomp ciepła.

W Niemczech i Austrii stosuje się roczny współczynnik efektywności energetycznej JAZ (niem. Jahresarbeitszahl). Jest to stosunek wyprowadzonej z urządzenia energii cieplnej do doprowadzonej energii elektrycznej w okresie roku, odniesiony do konkretnej instalacji i budynku. Im wyższy jest roczny współczynnik efektywności energetycznej, tym wyższa jest rzeczywista sprawność energetyczna instalacji z pompą ciepła. Przykładowo wartość 4,0 oznacza, że do obiegu grzewczego obiektu przekazana została energia cieplna stanowiąca czterokrotność pobranej energii elektrycznej.

Współczynnik SPF według norm (o tym poniżej) dzielony jest na dwa odrębne wskaźniki:

  • SCOP – dla urządzeń zasilanych energia elektryczną
  • SPER – dla urządzeń zasilanych energią cieplna (gazowe pompy ciepła)

Efektywność pomp ciepła a przepisy

Nie każde urządzenie produkujące energię i czerpiące ją częściowo z dolnego źródła może być uznane za pompę ciepła. Decyduje o tym minimalna sprawność wyznaczona dla brzegowych parametrów pracy. Ujęte jest to w normach:

PN-EN 14511:2011 – wyznaczanie efektywności pomp ciepła ze sprężarkami napędzanymi silnikami elektrycznymi o stałej prędkości
PN-EN 14825: 2012 – wyznaczanie efektywności pomp ciepła ze sprężarkami napędzanymi silnikami elektrycznymi. Norma zawiera załącznik do obliczania SCOP na podstawie zużycia energii końcowej i warunków klimatycznych, a także podczas pracy z częściowym obciążeniem.
PN-EN 15316:2007 – wyznaczanie efektywności energetycznej całego budynku zasilanego pompą ciepła

Minimalne wymagane wartości COP określa norma PN 14511 (tabela)

W jaki sposób należy czytać powyższe wskaźniki?

Pierwsza litera oznacza rodzaj stosowanego medium dolnego źródła ciepła

B- brine (solanka – czyli najczęściej roztwór 30% glikolu propylenowego)

W – water (woda)

A- air ( powietrze)

E- earth (ziemia, grunt)

Cyfra po literze oznacza temperaturę dolnego źródła ciepła, np. 0 = 0°C

Kolejna litera oznacza medium grzejne w górnym źródle ciepła. Zwykle jest to woda, stąd litera W.

Ostatnia liczba oznacza temperaturę górnego źródła ciepła na zasilaniu, np. 35 = 35°C

Np. A-2/W35 oznacza współczynnik COP policzony dla pompy ciepła powietrze/woda dla temperatury powietrza -2°C , przy oczekiwanej temperaturze na zasileniu instalacji +35°C.

Współczynnik COP nawet dla tej samej pompy mogą się znacznie różnic jeśli pod uwagę weźmiemy inna temperaturę dolnego i górnego źródła ciepła. Na poniższym wykresie pokazano jak zmienia się ten wskaźnik dla wybranej pompy przy zmianie temperatury powietrza zewnętrznego od -15 do +10°C. Jej producent może więc zachwalać dany model obiecując wskaźnik COP na poziomie 4,5, jednak wartość taka jest osiągalna tylko przy niskiej temperaturze wody zasilającej instalację i temperaturze zewnętrznej ≥10°C. Przy temperaturze 55°C i spadku temp. zewnętrznej poniżej 0°C, współczynnik COP pompy nie przekroczy 2,5.

Współczynnik SPF

 Załącznik VII dyrektywy w sprawie energii odnawialnej 2009/28/WE określa parametry do obliczania ilości energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła. Są to:

η – średnia europejska sprawność wytwarzania energii elektrycznej. obecnie wskaźnik ten wynosi 0,455 (dane za2010 rok)

Qusable – użyteczna ilość ciepła pochodząca z pompy ciepła, obliczana jest jako iloczyn równoważnej ilości godzin pracy pompy ciepła i jej mocy nominalnej. Ilość równoważna godzin pracy, to zakładana roczna ilość godzin, przy których pompa dostarcza moc znamionową  (ilość ta zależy od szerokości geograficznej, a ściślej klimatu – zob. tabela poniżej)

SPF – przeciętny współczynnik wydajności sezonowej określany dla pracy aktywnej jako SCOP (dla pomp zasilanych energia elektryczną), SPER – dla pomp zasilanych energią cieplną, np. gazowych. Minimalne wartości SPF według dyrektywy VII wynoszą:

2,5 – dla SCOP czyli dla pomp ciepła zasilanych elektrycznie

1,15 – dla SPER czyli pomp ciepła zasilanych energią cieplną

Warunki klimatyczne

W Europie wyznacza się trzy klimaty: ciepły, umiarkowany i chłodny. Polska należy do krajów o klimacie chłodnym.

Tabela. Ilości godzin równoważnej pracy Hhp i SCOP dla pomp ciepła elektrycznych

Tabela. Jw. dla pomp zasilanych energią cieplną

 Współczynnik SPER

Jest to sezonowy współczynnik nakładu energii pierwotnej obliczany ze wzoru:

                      SPER = SCOP x η

gdzie:

SCOP – sezonowy współczynnik efektywności pompy ciepła obliczany na podstawie normy PN-EN 18250

η – średnia europejska sprawność wytwarzanej energii elektrycznej (obecnie 0,455)