Współczynniki COP i SCOP - efektywność i wydajność pompy ciepła

Współczynniki COP i SCOP to najważniejsze parametry używane do oceny wydajności pomp ciepła - im wyższe COP, tym lepsza pompa. Aby inwestycja w pompę się zwróciła i aby zaoszczędzić na kosztach ogrzewania, należy wybrać pompę ciepła o dobrych współczynnikach efektywności COP i SCOP - co to takiego i jak się je mierzy?

COP, będący dla pomp ciepła tym, czym sprawność dla kotłów grzewczych, wyraża stosunek ilości ciepła dostarczanego przez pompę do ilości energii, zazwyczaj elektrycznej, zużywanej do jej zasilania. Ta z dwóch pomp ciepła, która ma wyższy COP, potrzebuje mniej energii elektrycznej do wytworzenia tej samej ilości ciepła. Może więc bardziej skutecznie wykorzystać energię czerpaną ze środowiska.

Powietrzna pompa ciepła – od czego zależy jej efektywność pracy

Efektywność powietrznej pompy ciepła zależy między innymi od algorytmu sterującego układem rozmrażania parownika. W najprostszych modelach włącza się on na kilka minut w stałych odstępach czasu. Znacznie lepszy efekt energetyczny daje bardziej skomplikowany układ sterowania – z uwzględnieniem temperatury parownika i jego otoczenia. Jest on jednak droższy, więc stosuje się go jedynie w urządzeniach najwyższej klasy. Ciekawostką jest, że producentom pomp ciepła zdarza się wprowadzać na rynek urządzenia z niedopracowanymi układami rozmrażania.

Niefortunnie umieszczony odpływ skroplin, niedostateczna powierzchnia elementów grzejnych lub ich niewłaściwe rozmieszczenie powodują, że skropliny spływające z parownika w trakcie jego rozmrażania zamarzają ponownie, zanim opuszczą agregat. Mogą wtedy utrudniać ruch wentylatora wymuszającego przepływ powietrza przez parownik i urządzenie sygnalizuje stan awarii. Taka sytuacja wynika często z nieudolnego montażu, ale prawdą jest też, że kolejne generacje tych samych modeli pomp ciepła różnią się czasem właśnie rozwiązaniem układu rozmrażania, bo producent uznaje, że był on niedopracowany.

Porównanie osiągów pomp ciepła

Rozważający zastosowanie pompy ciepła liczą na to, że poza komfortem zapewni ona niski koszt ogrzewania domu. Decyduje o tym jej efektywność. Parametrem pozwalającym porównywać osiągi pomp ciepła jest współczynnik efektywności COP. Zależy on od temperatury ośrodka, z którego pompa odbiera ciepło (dolnego źródła ciepła), i temperatury ośrodka, któremu je oddaje (górnego źródła ciepła), czyli odpowiednio od temperatury gruntu albo powietrza i temperatury zasilania instalacji grzewczej. COP jest wartością chwilową – zmienia się wraz z wartościami temperatury. Ale w dużym uproszczeniu można przyjąć, że temperatura zasilania instalacji oraz temperatura gruntu są stałe, bo w ciągu sezonu grzewczego wahają się tylko o kilka stopni.

Ustalenie efektywności pompy gruntowej przy takim założeniu jest proste. Przyjmuje się, że temperatura gruntu wynosi średnio 0^oC, i testuje urządzenie odbierające ciepło z ośrodka o takiej temperaturze, mierząc pobór energii elektrycznej podczas dostarczania ciepła do ośrodka o temperaturze 35^oC (optymalnej dla instalacji zasilanej przez pompę ciepła) oraz ilość przekazanej energii termicznej (ciepła). Ilość ciepła dzieli się przez ilość pobranej energii elektrycznej i otrzymuje COP.

Co to jest COP i co oznacza?

COP gruntowych pomp ciepła jest wyższe niż pomp powietrznych i osiąga wartość 5,0. Oznacza to, że dobrej jakości pompa ciepła do wytworzenia 5 kWh energii cieplnej przekazywanej do instalacji potrzebuje jedynie 1 kWh energii elektrycznej. Zużywa ją do zasilania sprężarki. Pozostałe 4 kWh to darmowa energia czerpana z dolnego źródła ciepła. COP zależy od temperatury dolnego źródła ciepła, czyli w przypadku pomp gruntowych – gruntu lub wody, a powietrznych – powietrza zewnętrznego. Mimo że zmieniają się one podczas pracy pompy ciepła, konkretna wartość COP dotyczy tylko jednego punktu pracy, wyznaczonego dla ich określonych wartości (np. 2/35^oC, gdzie 2 to temperatura dolnego źródła, a 35 – temperatura zasilania instalacji grzewczej). Dlatego COP nie jest wskaźnikiem doskonałym. W danych technicznych pomp ciepła producenci zwykle podają jegowartość wyznaczoną w określonych warunkach, zazwyczaj wg normy PN-EN 14511. Jest to często wartość maksymalna, rzadko osiągana podczas normalnej eksploatacji. Porównywanie różnych pomp ciepła ma sens tylko na podstawie ich COP określonych w takich samych warunkach.

Współczynnik efektywności COP gruntowych i powietrznych pomp ciepła

W przypadku współczesnych gruntowych pomp ciepła do domów jednorodzinnych współczynnik COP wynosi, w opisanych powyżej warunkach 4,3-4,9, w zależności od doskonałości konstrukcji pompy. Wartości uzyskiwane w warunkach eksploatacyjnych (przy zmieniającej się temperaturze) są zbliżone do tych podawanych przez producentów (pod warunkiem, że temperatura w instalacji grzewczej jest na poziomie 35^oC), zwłaszcza gdy pompa odbiera ciepło z gruntu za pomocą umieszczonych głęboko pionowych sond. W przypadku ułożenia rur poziomo na niewielkiej głębokości temperatura na koniec sezonu grzewczego jest o kilka stopni niższa niż na początku, a to się przekłada na zmniejszenie efektywności pompy o 10-20%. Ustalenie miarodajnego współczynnika efektywności pompy powietrznej nie jest proste z powodu dużych zmian temperatury powietrza. Jej zmiana o kilka stopni oznacza zmianę COP nawet o 20%, a takie wahania występują w ciągu kilku godzin.

Na przykład COP jednej z pomp powietrznych podgrzewającej wodę do 35^oC energią odbieraną od powietrza o temperaturze 7^oC wynosi 4,8, ale podczas pracy w temperaturze -7^oC już tylko 3,4, a w temperaturze -15^oC zaledwie 3. Informacja o COP dla kilku wartości temperatury umożliwia porównanie osiągów poszczególnych modeli urządzeń (pod warunkiem że rozpatruje się COP uzyskiwany w tej samej temperaturze dolnego i górnego źródła), ale jest mało przydatna do szacowania kosztu eksploatacji pomp powietrznych.

Sezonowy współczynnik efektywności pomp ciepła SCOP (SPF)

Bardziej miarodajny niż COP jest sezonowy współczynnik efektywności SPF lub SCOP, który określa stosunek ilości energii przekazanej do instalacji grzewczej w ciągu całego sezonu grzewczego do energii elektrycznej pobranej przez pompę ciepła w tym samym okresie. Ponieważ uwzględnia zmieniające się warunki pracy, pozwala dokładniej oszacować koszty eksploatacji. W dobrze wykonanym układzie z gruntową pompą ciepła sezonowy współczynnik efektywności SCOP może osiągać wartość powyżej 4,0. Na podstawie wartości SCOP urządzenie zostaje zaliczone do konkretnej klasy energetycznej. Informację o niej znajdziemy na jego etykiecie energetycznej. Etykiety dla pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń informują o klasie energetycznej dla standardowej temperatury zasilania ogrzewania 35^oC i 55^oC.

Pompy ciepła nie warto przewymiarowywać

Każde urządzenie grzewcze powinno być dobrze dopasowane do warunków, w których ma pracować, tym bardziej gdy – jak pompa ciepła – jest drogie i wrażliwe na wahania warunków zasilnia i parametrów instalacji odbiorczej. Podstawą doboru pompy ciepła powinien być projekt zawierający obliczenia zapotrzebowania domu na ciepło oraz niezbędne informacje o wybranym rodzaju i wielkości dolnego źródła ciepła pompy, rodzaju i parametrach instalacji grzewczej w budynku i ewentualnie zapotrzebowaniu na chłodzenie oraz sposobie przygotowywania ciepłej wody użytkowej i jej zużyciu. Dobrana moc grzewcza pompy ciepła powinna być zbliżona do zapotrzebowania budynku na ciepło, najlepiej obliczonego zgodnie z polską normą PN-EN 12831 dla temperatury minimalnej obowiązującej w strefie klimatycznej, w której ma pracować. Jeśli dokładna wartość zapotrzebowania nie jest znana (np. w domu modernizowanym), dobierając wstępnie pompę ciepła, można ją oszacować na podstawie informacji o standardzie energetycznym budynku (sposobie zaizolowania ścian, posadzki i dachu, typie stolarki, wielkości przeszkleń oraz rodzaju zastosowanej wentylacji – mechanicznej z rekuperacją lub grawitacyjnej) i wielkości powierzchni do ogrzania. Obliczenia wykonuje się dla warunków ekstremalnych (najniższej temperatury w danej strefie klimatycznej), tymczasem – jak wynika z wieloletnich obserwacji – przez większą część sezonu grzewczego temperatura jest wyższa, więc straty ciepła i wynikające z nich zapotrzebowanie na moc są w rzeczywistości mniejsze. Dlatego wybrany ostatecznie model pompy ciepła może mieć moc nieco niższą od obliczonej (nawet do 20%). Taka wartość będzie wystarczająca przez większą część sezonu grzewczego z temperaturą do mniej więcej -10°C. W kilka najzimniejszych dni – jeśli w ogóle się zdarzą – włączy się grzałka. Pobór energii przez pompę ciepła wspomaganą grzałkąjest mniejszy niż przez pompę o większej mocy pracującą przez długi czas w warunkach mniejszego zapotrzebowania na ciepło, w których uzyskuje niską sprawność. To lepsze rozwiązanie niż dobranie – na „wszelki wypadek” pompy o mocy większej niż konieczna.

Pompa ciepła przewymiarowana będzie droższa i będzie pracowała nieekonomicznie (wyjątkiem są urządzenia wyposażone w inwerter). Cykle pracy sprężarki będą krótkie i częste (jej elementy będą się szybciej zużywały), a w momencie uruchamiania nastąpi skokowy wzrost poboru energii, tym większy, im większa będzie sprężarka. W przypadku przewymiarowanej pompy gruntowej droższe będzie nie tylko samo urządzenie, ale także dolne źródło ciepła (wymiennik gruntowy), którego wielkość rośnie wprost proporcjonalnie do mocy. Pracę zbyt dużej pompy ciepła można ustabilizować przez zamontowanie w instalacji zbiornika buforowego gromadzącego zapas podgrzanej wody, ale taki zbiornik zwiększa koszt instalacji o kolejne kilka tysięcy złotych.

Piotr Laskowski