Okamžitá účinnost tepelných čerpadel: EER a COP

Při návrhu a porovnávání tepelných čerpadel nestačí sledovat pouze jejich topný nebo chladicí výkon. Stejně důležité je vědět, kolik elektrické energie zařízení k dosažení tohoto výkonu potřebuje a za jakých podmínek byla jeho účinnost stanovena.

K základnímu hodnocení účinnosti se používají ukazatele COP (Coefficient of Performance) pro vytápění a EER (Energy Efficiency Ratio) pro chlazení.

Samotné číslo však nestačí. Tepelné čerpadlo může při různých venkovních teplotách a rozdílné požadované teplotě vody dosahovat výrazně odlišné účinnosti. Proto má každá hodnota COP nebo EER smysl pouze společně s provozním bodem, při kterém byla stanovena.

COP: účinnost v režimu vytápění

COP vyjadřuje poměr mezi topným výkonem tepelného čerpadla a elektrickým příkonem potřebným k jeho dosažení.

COP = topný výkon (kW) / elektrický příkon (kW)

Pokud například tepelné čerpadlo dodává při konkrétním provozním bodě topný výkon 100 kW a jeho elektrický příkon činí 25 kW, výsledné COP je:

COP = 100 / 25 = 4,0

To znamená, že při těchto provozních podmínkách připadá na každou 1 kWh spotřebované elektrické energie přibližně 4 kWh dodané tepelné energie.

Zbývající část energie tepelné čerpadlo získává z okolního prostředí, například z venkovního vzduchu, vody nebo země.

EER: účinnost v režimu chlazení

V režimu chlazení se obdobným způsobem používá ukazatel EER.

EER = chladicí výkon (kW) / elektrický příkon (kW)

Pokud má zařízení například EER 3,25, znamená to, že při daných provozních podmínkách připadá na každou 1 kWh spotřebované elektrické energie přibližně 3,25 kWh dodané chladicí energie.

Stejně jako COP ani EER není konstantní vlastností zařízení. Mění se podle provozních podmínek, zejména podle teploty zdroje, požadované teploty vody a zatížení zařízení.

Proč samotné COP nestačí

Údaj například COP 4,5 v technickém listu ještě neposkytuje dostatek informací pro objektivní porovnání dvou tepelných čerpadel.

Je potřeba vědět, při jakých podmínkách bylo COP stanoveno.

Stejná jednotka může mít při teplotě venkovního vzduchu 7 °C a nízké teplotě topné vody velmi vysoké COP, zatímco při nižší venkovní teplotě nebo vyšším požadavku na teplotu topné vody bude její účinnost nižší.

Právě proto se používají standardizované provozní body, například:

• A7/W35
• A2/W35
• A7/W55

Ty umožňují porovnávat jednotlivá zařízení při shodných podmínkách.

Co znamená A7/W35

U tepelných čerpadel vzduch–voda se provozní bod zapisuje kombinací teplot zdroje a topné vody. Například A7/W35:

• A (Air): zdrojem energie je venkovní vzduch.
• 7 (7 °C): teplota venkovního vzduchu při daném provozním bodě.
• W (Water): tepelné čerpadlo předává energii do vodního systému.
• 35 (35 °C): výstupní teplota topné vody.

Údaj například COP 4,5 při A7/W35 proto říká výrazně více než pouze informace „COP 4,5“.

Projektant přesně ví, za jakých podmínek byla hodnota stanovena, a může ji objektivně porovnat s jiným zařízením při stejném provozním bodě.

A7/W35, A2/W35 a A7/W55: co se mění

Tyto tři příklady dobře ukazují dvě základní vlastnosti tepelných čerpadel.

A7/W35 → A2/W35: vliv venkovní teploty

Při provozním bodě A2/W35 zůstává požadovaná teplota vody stejná, ale venkovní vzduch je o 5 °C chladnější.

Tepelné čerpadlo tak odebírá energii z chladnějšího zdroje a musí překonávat větší teplotní rozdíl. Výsledkem bývá nižší COP a u vzduchových tepelných čerpadel se může měnit také dostupný topný výkon.

Proto by projektanta neměl zajímat pouze nominální bod A7/W35, ale také chování zařízení při nižších venkovních teplotách.

A7/W35 → A7/W55: vliv teploty topné vody

V tomto případě zůstává teplota venkovního vzduchu stejná, ale požadovaná výstupní teplota vody vzroste z 35 °C na 55 °C.

Tepelné čerpadlo musí pracovat s větším teplotním rozdílem mezi zdrojem a topným systémem, což zpravidla vede ke snížení COP.

Právě teplota topné vody proto výrazně ovlivňuje energetickou účinnost celého systému.

Nižších teplot vody lze dosáhnout například vhodným návrhem:

• podlahového nebo stropního vytápění,
• velkoplošných otopných těles,
• nízkoteplotních fancoilů,
• dostatečně dimenzovaných výměníků,
• ekvitermní regulace.

Při správném návrhu tedy projektant neovlivňuje pouze výběr tepelného čerpadla, ale také podmínky, ve kterých bude zařízení během roku pracovat.

ČSN EN 14511: společná pravidla pro měření

Aby bylo možné hodnoty různých zařízení objektivně porovnávat, používá se norma ČSN EN 14511.

Ta stanovuje způsob měření a hodnocení mimo jiné:

• topného výkonu,
• chladicího výkonu,
• elektrického příkonu,
• COP,
• EER.

ČSN EN 14511 definuje také provozní podmínky, postup měření, požadavky na stabilizaci zařízení a přesnost laboratorního měření.

Výsledkem jsou reprodukovatelné údaje, které umožňují porovnávat jednotlivá zařízení na společném základě.

Základní pravidlo je jednoduché:

COP nebo EER různých zařízení lze přímo porovnávat pouze tehdy, pokud byly stanoveny při stejném provozním bodě a podle stejné metodiky.

Porovnávat například COP jednoho zařízení při A7/W35 s COP jiného zařízení při A2/W35 by proto bylo zavádějící.

Co ČSN EN 14511 neříká

ČSN EN 14511 poskytuje referenční hodnoty naměřené za definovaných laboratorních podmínek. Neříká však, kolik elektrické energie konkrétní tepelné čerpadlo spotřebuje během celého roku v konkrétní budově.

Skutečný provoz ovlivňuje řada faktorů:

• klimatické podmínky,
• požadovaná teplota vody,
• hydraulické zapojení,
• kvalita instalace,
• regulace,
• provoz při částečném zatížení,
• odmrazování,
• způsob používání budovy.

COP a EER jsou proto důležité referenční ukazatele, ale nejsou predikcí skutečné roční spotřeby energie.

ČSN EN 14511 versus ČSN EN 14825

Rozdíl mezi oběma normami lze zjednodušeně vyjádřit takto:

ČSN EN 14511 → účinnost v konkrétním provozním bodě → COP a EER

ČSN EN 14825 → sezónní účinnost → SCOP a SEER

Zatímco ČSN EN 14511 hodnotí zařízení při definovaných provozních bodech, ČSN EN 14825 pracuje s více provozními podmínkami a částečným zatížením během topné nebo chladicí sezóny.

Proto jsou ukazatele SCOP a SEER vhodnější pro hodnocení sezónní energetické účinnosti zařízení.

Ani SCOP však není totéž jako skutečná spotřeba konkrétní instalace. Reálnou výkonnost systému lze následně vyhodnocovat například pomocí sezónního výkonnostního faktoru SPF na základě skutečně naměřené dodané energie a spotřeby.

Co z toho vyplývá pro projektanta

Při porovnávání tepelných čerpadel není vhodné hledat pouze zařízení s nejvyšším katalogovým COP.

Je potřeba posoudit především:

• topný výkon při návrhové venkovní teplotě,
• COP při odpovídající venkovní teplotě,
• COP při skutečně požadované teplotě vody,
• výkonovou obálku zařízení,
• minimální a maximální výkon,
• rozsah modulace,
• účinnost při částečném zatížení,
• chování při odmrazování,
• SCOP,
• případné zapojení bivalentního zdroje.

U komerčních a průmyslových tepelných čerpadel je proto často mnohem důležitější výkonová mapa zařízení než jedna nominální hodnota COP uvedená na titulní straně katalogu.

Závěr

COP a EER jsou základními ukazateli účinnosti tepelných čerpadel. COP charakterizuje provoz v režimu vytápění, EER v režimu chlazení.

Samotné číslo ale nestačí.

Každou hodnotu COP nebo EER je nutné posuzovat společně s provozním bodem, při kterém byla stanovena.

A7/W35, A2/W35 nebo A7/W55 proto nejsou jen technické poznámky v katalogu. Popisují podmínky, ve kterých tepelné čerpadlo pracuje, a výrazně ovlivňují jeho výkon i účinnost.

Pro objektivní porovnání zařízení platí jednoduché pravidlo:

Porovnávejme výkon a účinnost vždy při stejných provozních podmínkách.

Pro samotný návrh systému je ale ještě důležitější druhé pravidlo:

Nehledejme pouze tepelné čerpadlo s nejvyšším katalogovým COP. Navrhujme celý systém tak, aby tepelné čerpadlo mohlo co největší část roku pracovat při co nejnižší potřebné teplotě topné vody a v oblasti své vysoké účinnosti.

Právě kombinace správně zvoleného zdroje, vhodné teplotní úrovně systému a kvalitní regulace rozhoduje o skutečné energetické efektivitě celé instalace.