Obliczanie rocznej efektywności pomp ciepła powietrze/woda

Pompy ciepła powietrze/woda mogą być stosowane do ogrzewania budynków. Dobierając je jako urządzenia grzewcze, uwzględnić należy ich charakterystyczną cechę, jaką jest zależność mocy grzewczej oraz współczynnika efektywności energetycznej od temperatury zewnętrznej.

Niespójność potrzeb grzewczych budynku i dostępnej mocy grzewczej pomp ciepła powietrze/woda budzi niekiedy wątpliwości co do efektywności energetycznej tych urządzeń. Jednak w praktyce prawidłowo dobrane urządzenie doskonale sprawdzi się jako system grzewczy dla budynku, szczególnie niskoenergetycznego, również w naszej strefie klimatycznej.

Dobierając pompę ciepła powietrze/woda, należy każdorazowo przeprowadzić analizę współpracy urządzenia z ogrzewanym obiektem, m.in. dla obliczenia rocznego wskaźnika efektywności energetycznej SCOP.

Żeby umożliwić poprawny dobór pompy ciepła, producenci mają obowiązek dostarczyć dane o wartościach współczynnika efektywności COP oraz mocy grzewczej dla określonych normą PN-EN 14511 [1] temperatur zasilania po stronie grzewczej (górne źródło pompy ciepła) i temperatur powietrza zewnętrznego (dolne źródło pompy ciepła).

Dodatkowo od września 2015 dla urządzeń grzewczych, również pomp ciepła, należy podawać etykietę energetyczną, wymaga tego dyrektywa 2009/125/WE [2].

Pompa ciepła jest badana i oceniana za pomocą metody podanej w normie PN-EN 14825 [3].

Na podstawie obliczonego według tej normy wskaźnika SCOP urządzenia nadawana jest mu klasa efektywności energetycznej (oznaczana literami od G do A+++).

Zauważyć należy, że przeliczenie COP na SCOP na potrzeby etykiet odbywa się dla narzuconych odgórnie warunków klimatycznych oraz deklarowanego przez producenta obliczeniowego zapotrzebowania na moc grzewczą wynikającego z przyjętego do obliczeń punktu biwalentnego. W związku z tym podawana na etykiecie klasa energetyczna jest wskaźnikiem pozwalającym w pewnym stopniu porównać różne urządzenia grzewcze, ale nie zastąpi analizy i rzetelnego doboru urządzenia do potrzeb grzewczych konkretnego budynku.

Jednym ze sposobów przeprowadzenia takiej analizy może być metoda szacowania proponowana właśnie przez PN-EN 14825 [3].

Pozwala ona dokonać oceny SCOP pompy ciepła zasilającej w ciepło budynek o dowolnej lokalizacji i znanym zapotrzebowaniu na moc grzewczą. Analizy prezentowane w pracach [4, 5], jak i zapisy samej normy [3] wskazują, że wykorzystanie tej metody nie tylko jako procedury przypisanej do certyfikowania urządzeń jest jak najbardziej możliwe.

W artykule wykorzystano model obliczania SCOP według wytycznych normy [3] do analizy wpływu danych klimatycznych wybranych miejscowości w Polsce oraz przyjętego punktu biwalentnego na roczny wskaźnik efektywności energetycznej przykładowej pompy ciepła powietrze/woda, zasilającej dom jednorodzinny o projektowym obciążeniu cieplnym 9,5 kW.

Obliczanie SCOP pomp ciepła powietrze/woda wg PN-EN 14825

Norma PN-EN 14825 podaje zasady testowania oraz obliczania efektywności energetycznej różnych typów pomp ciepła pracujących jako urządzenia grzewcze oraz jako urządzenia chłodnicze w warunkach obciążenia częściowego.

W artykule opisano aspekty związane z analizą pracy pomp ciepła powietrze/woda pracujących w trybie grzewczym. Efektywność według [3] może być wyrażona poprzez szacowany sezonowy współczynnik: SCOPon, SCOPnet i SCOP. Wartość SCOP­on odzwierciedla pracę pompy ciepła w trybie grzewczym z uwzględnieniem pracy grzałki wspomagającej. Wartość SCOPnet uwzględnia jedynie energię elektryczną zużytą na potrzeby działania pompy ciepła i obiegu czynnika przepływającego przez dolne źródło (np. praca wentylatorów, pomp obiegowych). SCOP uwzględnia dodatkowo energię niezbędną do działania urządzenia w trybach pracy nieaktywnej. W artykule jako miarodajny i wystarczający dla planowanej analizy przyjęto współczynnik SCOPon, dla którego podstawą do obliczeń według [3] są:

• charakterystyka sezonu grzewczego,

• dane urządzenia dotyczące jego mocy grzewczej i COP w warunkach obciążenia częściowego,

• dane dotyczące projektowego obciążenia cieplnego budynku.

Charakterystyka sezonu grzewczego

Norma [3] wprowadza podział Europy na trzy strefy klimatyczne:

• A – strefa średnia (average), o zewnętrznej temperaturze obliczeniowej T_design,h = –10°C,

• C – strefa zimna (colder), o zewnętrznej temperaturze obliczeniowej T_design,h = –22°C,

• W – strefa ciepła (warmer), o zewnętrznej temperaturze obliczeniowej T_design,h = 2°C.

Podział ten przedstawiono poglądowo na rys. 1 (patrz: rysunek tytułowy). Zaznaczono na nim również obszar Polski zakwalifikowany do strefy chłodnej (C).

Zauważyć należy także, że obowiązkowe jest dla producentów wyznaczenie klasy energetycznej każdej pompy ciepła wprowadzanej do sprzedaży w Europie w oparciu o dane klimatyczne dla sezonu średniego (A).

Każda ze stref cechuje się, poza różnymi temperaturami obliczeniowymi, odmiennym czasem trwania sezonu grzewczego oraz liczbą godzin występowania danej temperatury zewnętrznej. Krzywe opisujące liczbę godzin występowania danej temperatury zewnętrznej przedstawiono na rys. 2.

Czytaj też: Pompy ciepła – przykłady pozyskiwania ciepła odpadowego >>>

Dane pompy ciepła powietrze/woda

Norma PN-EN 14511:1 [1] zobowiązuje producentów pomp ciepła do przedstawienia wartości COP oraz mocy chwilowych urządzenia zbadanych w warunkach laboratoryjnych w określonych punktach (opisywanych przez temperatury dolnego i górnego źródła). Punkty te, oznaczone w PN-EN 14825 [3] literami A–G, są podstawą do określenia parametrów pracy pompy ciepła przy dowolnej temperaturze zewnętrznej. Jednak na potrzeby obliczenia SCOP według normy [3] wartości COP, odmiennie niż według normy [1], powinny zostać wyznaczone w warunkach obciążenia częściowego.

Temperatury charakteryzujące poszczególne punkty obliczeniowe pokazano na rys. 3.

Punkty A–D odpowiadają zawsze tym samym wartościom temperatury zewnętrznej, która w zestawieniu z przyjętą temperaturą obliczeniową definiuje poziom częściowego obciążenia cieplnego budynku.

Lokalizacja punktów E–G na charakterystyce obciążenia cieplnego budynku jest ustalana indywidulanie i zależy od: minimalnej temperatury zewnętrznej pracy pompy ciepła (T_TOL), strefy klimatycznej oraz przyjętego punktu biwalentnego (T_biv). Graficzna interpretacja metody przedstawiona została na rys. 3.

Obciążenie cieplne budynku

Sposób oszacowania chwilowego obciążenia cieplnego budynku proponowany w normie [3] opiera się na wskaźniku obciążenia częściowego. Jego wartość wyznacza się według równania (1):

 (1)

Otrzymany wynik po pomnożeniu przez projektowe obciążenie cieplne budynku pozwala wyznaczyć chwilowe obciążenie cieplne budynku. Równanie (2) określa więc również wymaganą moc grzewczą pompy ciepła w danej temperaturze zewnętrznej (rys. 3).

  (2)

Obliczanie SCOP

Dobierając pompę ciepła powietrze/woda, określa się przede wszystkim tzw. punkt biwalentny (Tbiv), czyli temperaturę zewnętrzną, dla której obciążenie cieplne budynku równe jest osiąganej mocy grzewczej urządzenia.

W okresach temperatur powietrza zewnętrznego niższych od temperatury punktu biwalentnego moc pompy ciepła nie jest wystarczająca i należy uwzględnić w obliczeniach dodatkową moc grzałki elektrycznej:

  (3)

W okresach temperatur powietrza zewnętrznego wyższych od punktu biwalentnego moc pompy ciepła powietrze/woda zaczyna przewyższać zapotrzebowanie budynku. Różnica ta staje się tym większa, im wyższa jest temperatura dolnego źródła.

Dopasowanie mocy może odbywać się naprzemiennie poprzez włączanie i wyłączanie urządzenia (tryb on/off), zastosowanie sprężarek z przetwornikiem częstotliwości lub kilku sprężarek pracujących stopniowo.

Każda z metod ma ograniczenia maksymalnego stopnia redukcji mocy, który należy przyjąć na podstawie kart katalogowych producentów urządzeń. Stopień dopasowania urządzenia do chwilowego obciążenia budynku wpływa na osiągane wartości COP. Zmiana ta uwzględniana jest według [3] za pomocą dodatkowych parametrów:

• Cru – czyli stosunku chwilowego obciążenia cieplnego budynku do deklarowanej mocy pompy ciepła w tych samych warunkach temperatury zewnętrznej T_j obliczanego z zależności (4) oraz

• Cc – czyli współczynnika redukcji ze względu na straty rozruchowe przy obciążeniu częściowym przyjmowanego na podstawie testów urządzenia (jeżeli brakuje takich danych, norma [3] zaleca przyjmować Cc = 0,9).

Parametry te pozwalają wyliczyć, z zależności (5), wartości COP_bin(Tj) oznaczające chwilowy COP w danych warunkach obciążenia częściowego.

  (4)

  (5)

Wartość COP_bin(Tj) jest podstawą do szacowania współczynnika SCOP i należy ją wyliczać:

• jeżeli obciążenie budynku jest niższe od mocy pompy ciepła – dla urządzeń bez możliwości regulacji osiąganej mocy (tryb on/off),

• jeżeli możliwa osiągana moc różni się od wymaganej o ±10% – w przypadku urządzeń o kilku stopniach pracy,

• jeżeli obciążenie budynku jest niższe od minimalnej mocy zredukowanej za pomocą inwertera – dla urządzeń ze sprężarkami o płynnej regulacji pracy.

Parametry opisane wzorami (1–5) wyznacza się w krokach obliczeniowych, czyli dla kolejnych temperatur zewnętrznych.

Obliczenia rozpoczyna się od wyznaczenia powyższych wartości dla punktów obliczeniowych A–G.

Do wyznaczenia wartości parametrów w pozostałych krokach obliczeniowych wykorzystuje się interpolację liniową (ewentualnie ekstrapolację) wyników obliczeń dla punktów A–G.

Gdy znane są parametry pracy urządzenia w każdym kroku obliczeniowym, możliwe jest obliczenie szacowanego sezonowego współczynnika SCOP_on na podstawie zależności (6):

  (6)

Czytaj też: Inteligentny budynek – znaczenie instalacji HVAC i OZE >>>

Warunki klimatyczne w Polsce a dane wg PN-EN 14825

Norma PN-EN 14825 [3] definiuje dla Europy trzy typy klimatu – zimny (C), średni (A) i ciepły (W).

Polskę przypisano do regionu zimnego (C). Jednak zestawienie (rys. 3) przebiegu krzywych klimatycznych dla okresu grzewczego wykonanych według danych meteorologicznych dostępnych na stronie internetowej Ministerstwa Infrastruktury i Budownictwa [7] z danymi według [3] pokazuje, że klimat w naszym kraju jest łagodniejszy.

Nawet najzimniejsza statystycznie miejscowość, Suwałki, ma przebieg krzywej klimatycznej poniżej przebiegu krzywej dla strefy zimnej (C).

Również pozostałe miejscowości plasują się pomiędzy krzywą dla regionu zimnego i średniego.

Dość duże różnice występują w przebiegu krzywych klimatycznych w ich środkowej części, w zakresie temperatur zewnętrznych od –5 do 7°C. Jest to zakres najistotniejszy z punktu widzenia oceny efektywności pracy pompy ciepła powietrze/woda. Liczba godzin występowania tych temperatur w sezonie grzewczym (3000-4300 h) jest bowiem przeważająca i stanowi około 60–70% czasu jego trwania.

Zauważyć też należy, że np. Kołobrzeg w zakresie temperatur pomiędzy –7 a 2°C ma przebieg krzywej klimatycznej poniżej krzywej dla klimatu średniego. Jednak w odniesieniu do pozostałych prezentowanych miejscowości sezon średni (average) ma przebieg łagodniejszy i charakteryzuje się też mniejszą liczbą godzin grzewczych (poniżej 5000 h).

Skutkiem zaprezentowanych różnic w danych klimatycznych mogą być znaczne rozbieżności w wynikach obliczeń SCOPon. Norma [3] sugeruje, żeby w praktycznych zastosowaniach korzystać z danych właściwych dla danej lokalizacji, a nie z danych klimatycznych przez nią zestandaryzowanych.

Przykładowa analiza efektywności pompy ciepła

Opis obliczeń

W poniższych analizach przeprowadzono obliczenia SCOPon przy użyciu metody przedstawionej w [3] dla przykładowego budynku o projektowym obciążeniu cieplnym wynoszącym 9,5 kW. Moc budynku przyjęta została dla zewnętrznej temperatury obliczeniowej –22°C odpowiadającej strefie zimnej (C), proponowanej dla obszaru Polski. W obliczeniach założono utrzymanie identycznej izolacyjności cieplnej budynku we wszystkich lokalizacjach. Skutkiem tego dla odmiennych w każdej strefie temperatur obliczeniowych otrzymano różne od 9,5 kW moce obliczeniowe budynku (Pdesign,h) oznaczone na rys. 4. Obliczenia przeprowadzono dla strefy zimnej (C) oraz średniej (A), a także dla miast z pięciu stref klimatycznych Polski: Kołobrzegu, Wrocławia, Lublina, Olsztyna oraz Suwałk.

Obliczenia SCOPon wykonano dla typoszeregu trzech sprężarkowych pomp ciepła powietrze/woda oznaczonych na potrzeby artykułu jako PC-1, PC-2, PC-3. Analizowane pompy ciepła mają sprężarkę pracującą w trybie on/off. Dane dotyczące osiąganych mocy i COP w punktach temperatury zewnętrznej (Tj) dla temperatury zasilania 35°C zestawiono w tabeli 1. Punkty przecięcia charakterystyk mocy poszczególnych pomp ciepła z prostą obrazującą obciążenie cieplne budynku (rys. 4) definiują tzw. temperaturę biwalentną dla każdej z nich, zestawioną w tabeli 1. Ze względu na przyjęte dla analizowanego przypadku założenie stałej izolacyjności cieplnej budynku punkty biwalentne są niezmienne bez względu na przyjęte do obliczeń dane klimatyczne. Skutkiem takiego podejścia jest nieco inny stosunek obliczeniowego obciążenia cieplnego Pdesign,h budynku do mocy pomp ciepła w punktach biwalentnych.

Czytaj też: Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła – woda w instalacjach i korozja >>>

Wyniki analizy

Wyniki analizy zestawiono na rys. 5 i rys. 6. Rys. 5 zawiera zestawienie wartości SCOP_on obliczonych dla pompy ciepła oznaczonej jako PC-2 (urządzenie zwymiarowane na T_­biv = –7°C), współpracującej z budynkiem o mocy grzewczej przedstawionej na rys. 4, zlokalizowanym w różnych strefach klimatycznych.

Rys. 6 zawiera wyniki obliczeń SCOP_on dla tego samego obiektu i tych samych stref, ale dla pełnego typoszeregu pomp ciepła, czyli PC-1 (urządzenie zwymiarowane na T_biv = –11°C) oraz PC-3 (urządzenie zwymiarowane na T_biv = –3°C).

Wyniki obliczeń zilustrowane na rys. 5 ukazują wpływ przyjętych danych klimatycznych na szacowaną wartość SCOP_on. Współczynnik efektywności dla danych klimatycznych okresu zimnego (C) wynosi 3,05 (dla urządzenia PC-2). Jest to wartość najniższa z uzyskanych w przeprowadzonej analizie.

Dla Kołobrzegu, znajdującego się w I strefie klimatycznej, wartość SCOP_on wynosi 3,68 (dla urządzenia PC-2).

Przyjmując wyniki obliczeń dla strefy zimnej (C) jako wariant odniesienia, uzyskano wynik wyższy o 21%.

Przykład ten pokazuje, jak istotny może być wpływ zastosowanych do obliczeń danych klimatycznych na obliczeniową wartość SCOP_on.

Znaczne rozbieżności występują też dla Wrocławia i Lublina (strefa II i III) – szacowane różnice względem wariantu odniesienia wynoszą odpowiednio 11% (SCOP_on = 3,40) i 8% (SCOP_on = 3,28).

Dla Olsztyna (strefa IV), charakteryzującego się taką samą zewnętrzną temperaturą obliczeniową jak wariant odniesienia, SCOPon wynosi 3,43, co jest wartością o 12% większą.

Dopiero wynik uzyskany dla strefy V na przykładzie Suwałk jest niemal odpowiednikiem obliczeń wykonanych dla danych klimatycznych strefy zimnej (C).

Strefa klimatu średniego (A) wartością SCOPon wynoszącą 3,59 tylko nieznacznie odbiega od uzyskanych dla większości analizowanych miast Polski (dla urządzenia PC-2).

Na uwadze należy mieć odmienne warunki obliczeniowe tej strefy. W przypadku zewnętrznej temperatury obliczeniowej wynoszącej –10°C przyjęcie punktu biwalentnego na poziomie –7°C oznacza znaczące przewymiarowanie. Sugerowany przez [3] punkt biwalentny dla tej strefy wynosi 2°C. W przeprowadzonej analizie nie uwzględniono urządzenia o tak niskiej mocy. Zbieżność wyników z cieplejszymi strefami Polski związana jest z zaniżeniem wartości SCOPon wynikającym z zastosowania przewymiarowanego urządzenia regulowanego w trybie on/off.

Wartość SCOPon, będąca odzwierciedleniem pracy urządzenia w zmiennych warunkach okresu grzewczego, może być stosowana przy analizie porównawczej pomp ciepła uwzględniającej wartość punktu biwalentnego. Wytyczne normy [3] proponują dla klimatu zimnego (C) temperaturę biwalentną (T_biv) na poziomie –7°C lub niższą. Zasadniczo pokrywa się to z wynikami uzyskanymi w dalszych obliczeniach, gdzie mimo dużych wahań osiąganych wartości SCOP_on w poszczególnych strefach klimatycznych najlepszym dopasowaniem mocy do obciążenia cieplnego budynku charakteryzuje się urządzenie PC-2, dobrane właśnie na taką temperaturę biwalentną.

W wynikach zaprezentowanych na rys. 6 widoczny jest niekorzystny wpływ zarówno przewymiarowania, jak i niedowymiarowania tego typu źródła ciepła.

Problem przewymiarowania jest szczególnie istotny w przypadku stref o klimacie łagodniejszym, co doskonale odzwierciedla przykład Kołobrzegu. Podczas gdy wybór urządzenia PC-2 skutkować będzie pracą z wysokim SCOP_on, równym 3,68, wybór najbliższego w typoszeregu urządzenia wyższej mocy, PC-1, spowoduje spadek efektywności o ponad 12%, do wartości 3,25 w skali roku. W przypadku tym oprócz zwiększonych kosztów inwestycji niepoprawny dobór skutkowałby również wyższymi kosztami eksploatacyjnymi, związanymi z nieefektywną pracą pompy ciepła regulowanej w trybie on/off.

W sytuacji przeciwnej, przy zastosowaniu urządzenia o zbyt niskiej mocy, w znacznej części sezonu grzewczego niezbędne będzie użycie wspomagającej grzałki elektrycznej. Jej duży udział w wytwarzaniu energii grzewczej skutkuje znaczącym, zazwyczaj większym niż w przypadku urządzeń przewymiarowanych, obniżeniem współczynnika SCOP_on. Sytuacja taka widoczna jest dla urządzenia PC-3 i miast z chłodniejszych stref obszaru Polski (Wrocław, Lublin, Olsztyn, Suwałki). Spadek efektywności wynosi od 12 do 16%.

W prezentowanym przykładzie należy zwrócić uwagę na różnice w deklarowanych przez producenta wartościach COP dla każdego z urządzeń. W zestawieniu najniższe wartości COP ma pompa ciepła najmniejszej mocy (PC-3). Przy mniej różniących się wartościach COP urządzeń w typoszeregu sytuacja w cieplejszych strefach mogłaby wyglądać inaczej – mniejsza pompa ciepła miałaby SCOPon wyższe niż PC-2.

Podsumowanie

Procedury obliczeniowe i wytyczne do testów przedstawione w normie PN-EN 14825 [3] obejmują szereg aspektów niezbędnych w procesie oceny efektywności pomp ciepła wszystkich typów. Norma ta znalazła więc oczywiste zastosowanie jako podstawa tworzenia etykiet energetycznych pomp ciepła. Jednak metodę obliczania SCOPon w niej opisaną można wykorzystać również w praktyce projektowej.

W artykule, stosując opisaną metodę obliczeniową, pokazano, że zakwalifikowanie Polski do strefy zimnej (C) nie potwierdza się po zastosowaniu do obliczeń dostępnych danych meteorologicznych. Dla przykładowego obiektu wykazano różnice w osiąganych wartościach SCOPon do plus 21% względem wartości otrzymanej dla danych klimatycznych zgodnych ze strefą zimną (C).

Metodę zastosowano również do oceny wpływu dopasowania mocy pompy ciepła do obciążenia cieplnego budynku na roczny współczynnik efektywności energetycznej urządzenia. W przykładowych analizach wykazano rozbieżności do minus 16% względem pompy ciepła dobranej najlepiej z dostępnego typoszeregu urządzeń.

Podsumowując, zaletą metody obliczeniowej jest możliwość oszacowania wartości SCOPon uwzględniającej charakterystykę sezonu grzewczego w danej lokalizacji oraz projektowe obciążenie cieplne budynku.

Możliwe jest też, w sposób przybliżony, dopasowanie najbardziej wydajnego w danym przypadku urządzenia.

Wśród wad tej metody wymienić należy nieuwzględnianie w profilu obciążenia cieplnego zysków ciepła, co powoduje, że obliczona ilość energii, zarówno cieplnej, jak i elektrycznej, może znacząco odbiegać od rzeczywistych rocznych potrzeb budynku. Tak więc wykorzystanie tych danych do oceny rocznych kosztów eksploatacji raczej nie znajdzie zastosowania. Dodatkowo, w sytuacji gdy sprężarka pompy ciepła ma możliwość płynnej regulacji mocy, norma [3] zakłada, że do obliczeń SCOPon konieczne jest pozyskanie informacji na temat COP urządzenia w warunkach obciążenia częściowego.

Zasadniczo dostęp do takich danych testowych nie jest szeroko oferowany przez producentów pomp ciepła, co utrudnia przeprowadzenie tych obliczeń.

Literatura

1. PN-EN 14511 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia.

2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią (DzU UE L 285/10 z 31.10.2009).

3. PN-EN 14825 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia. Badanie i ocena w warunkach niepełnego obciążenia oraz obliczanie wydajności sezonowej.

4. Dongellini M., Naldi C., Morini G.L., Seasonal performance evaluation of electric air-to-water heat pump, „Applied Thermal Engineering” Vol. 90 (2015), p. 1072–1081.

5. Dongellini M., Naldi C., Morini G.L., Climate influence on seasonal performances of air-to-water heat pumps for heating, „Energy Procedia” Vol. 81 (2015), p. 100–107.

6. Strategic Nordic Products – Heat Pumps Nordsyn, 2015.

7. www.mib.gov.pl.

Czytaj też: 5 ciekawych rozwiązań z pompami ciepła >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!