Podstawowe pojęcia dotyczące sprawności pompy ciepła
Sprawność pompy ciepła wyraża się przede wszystkim za pomocą współczynnika wydajności COP (Coefficient of Performance). Jest to stosunek energii cieplnej dostarczonej do instalacji grzewczej do energii elektrycznej zużytej przez sprężarkę i inne elementy układu. Typowe wartości COP mieszczą się w zakresie od 3 do 5, co oznacza, że pompa ciepła może wyprodukować 3-5 razy więcej energii cieplnej niż energii elektrycznej, którą zużywa.
W praktyce wartość COP nie jest stała – zmienia się w zależności od temperatury dolnego źródła ciepła (np. powietrza, gruntu czy wody) oraz temperatury górnego źródła (temperatury wody zasilającej system grzewczy). W celu oceny efektywności pracy w zmiennych warunkach klimatycznych stosuje się sezonowy współczynnik efektywności SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), który uwzględnia wahania temperatur i realne profile pracy w ciągu roku.
Wpływ temperatury zewnętrznej na sprawność pompy ciepła
Temperatura dolnego źródła ciepła
Temperatura dolnego źródła, z którego pompa ciepła pobiera energię (powietrze, grunt, woda), ma fundamentalne znaczenie dla sprawności urządzenia. W przypadku pomp powietrznych temperatura powietrza zewnętrznego jest zmienna i może wahać się od wartości dodatnich do ujemnych.
Spadek temperatury powietrza powoduje obniżenie ilości dostępnego ciepła, co skutkuje zwiększeniem zużycia energii elektrycznej przez sprężarkę, aby utrzymać wymaganą temperaturę wody grzewczej. W efekcie współczynnik COP maleje wraz z obniżaniem się temperatury dolnego źródła. Na przykład, przy temperaturze powietrza zewnętrznego około 7°C pompa może osiągać COP na poziomie 4,5, natomiast przy temperaturze -7°C współczynnik ten spada do około 2,35.
W przeciwieństwie do pomp powietrznych, gruntowe lub wodne pompy ciepła korzystają z bardziej stabilnych źródeł ciepła, gdzie temperatura gruntu na określonej głębokości pozostaje niemal stała przez cały rok. Dzięki temu ich sprawność jest mniej podatna na wahania temperatur zewnętrznych i utrzymuje się na wyższym poziomie przez cały sezon grzewczy.
Temperatura górnego źródła ciepła
Temperatura górnego źródła, czyli temperatura wody zasilającej system grzewczy, wpływa na zapotrzebowanie pompy ciepła na energię elektryczną. Im wyższa temperatura zasilania (np. 55°C dla tradycyjnych grzejników), tym większa różnica temperatur pomiędzy dolnym a górnym źródłem i tym niższy współczynnik COP.
Optymalna praca pomp ciepła jest osiągana przy niskotemperaturowych systemach grzewczych, takich jak ogrzewanie podłogowe, które wymagają temperatur zasilania w zakresie 30–45°C. W takich warunkach pompa osiąga wyższą efektywność, co przekłada się na niższe zużycie energii elektrycznej.
Czynniki wpływające na efektywność pracy pompy ciepła
Typ pompy ciepła
- Powietrzne pompy ciepła (powietrze-woda, powietrze-powietrze): najpopularniejsze i stosunkowo tanie, ale ich sprawność znacząco spada przy niskich temperaturach zewnętrznych.
- Gruntowe pompy ciepła (solanka-woda): korzystają ze stabilnej temperatury gruntu, co pozwala na utrzymanie wysokiej sprawności nawet w mroźne zimy.
- Wodne pompy ciepła (woda-woda): pobierają energię z wód gruntowych lub powierzchniowych, oferując wysoką i stabilną efektywność, jednak wymagają dostępu do odpowiednich zasobów wodnych.
Systemy wspomagające i konfiguracja instalacji
W miejscach o surowym klimacie lub przy bardzo niskich temperaturach powietrza, stosuje się systemy hybrydowe lub dodatkowe źródła ciepła, takie jak grzałki elektryczne, które aktywują się, gdy pompa ciepła nie jest w stanie samodzielnie pokryć zapotrzebowania na ciepło.
Dobór odpowiedniej mocy pompy ciepła oraz konfiguracja punktu biwalentnego (temperatury, przy której pompa wymaga wsparcia) jest kluczowa dla efektywności systemu. W większości polskich warunków klimatycznych punkt biwalentny mieści się w zakresie od -5°C do -11°C, co oznacza, że pompa ciepła pokrywa zapotrzebowanie budynku na ciepło przez większość sezonu grzewczego.
Izolacja i charakterystyka budynku
Wysoka jakość izolacji termicznej budynku znacząco zmniejsza zapotrzebowanie na ciepło, co pozwala na pracę pompy ciepła przy niższych temperaturach zasilania i zwiększa jej sprawność. Niska temperatura zasilania jest szczególnie korzystna przy systemach ogrzewania podłogowego, gdzie osiąga się wysoką efektywność i komfort cieplny.
Technologia i komponenty urządzenia
Nowoczesne pompy ciepła wyposażone są w sprężarki inwerterowe, które pozwalają na płynną regulację mocy, co przekłada się na bardziej stabilną i efektywną pracę. Zaawansowane systemy odszraniania zapobiegają gromadzeniu się lodu na wymienniku powietrznym, co minimalizuje spadki wydajności w niskich temperaturach.
Ważnym elementem jest również jakość wymienników ciepła oraz czynnika chłodniczego. Optymalizacja tych komponentów pozwala na maksymalizację współczynnika COP i zmniejszenie zużycia energii.
Metody pomiaru i interpretacja wskaźników efektywności
Współczynnik COP
COP jest obliczany zgodnie z normą PN-EN 14511 na podstawie stosunku mocy grzewczej do zużytej energii elektrycznej w określonych warunkach pracy (np. temperatura powietrza 7°C, temperatura wody 35°C). Wartości COP podawane przez producentów odnoszą się do konkretnych punktów pracy i nie oddają pełnej efektywności w całym sezonie.
Sezonowy współczynnik efektywności SCOP
SCOP uwzględnia zmienność warunków klimatycznych w ciągu roku oraz profile obciążenia cieplnego, co pozwala na dokładniejszą ocenę rzeczywistej efektywności pompy ciepła. Wartości SCOP są wykorzystywane do porównań między urządzeniami i do oszacowania rocznych kosztów eksploatacji.
Roczny współczynnik wydajności SPF
SPF (Seasonal Performance Factor) to wskaźnik uwzględniający rzeczywiste warunki eksploatacji konkretnej instalacji, w tym straty instalacyjne, zużycie energii pomocniczej i profil użytkowania. Jest to najbardziej miarodajna wartość dla oceny efektywności w praktyce, choć wymaga monitoringu pracy przez co najmniej rok.
Podsumowanie
Sprawność pompy ciepła jest funkcją wielu zmiennych, z których dominującą rolę odgrywa temperatura dolnego i górnego źródła ciepła oraz warunki klimatyczne. Pompy gruntowe oferują stabilną i wysoką efektywność przez cały sezon, podczas gdy pompy powietrzne wykazują większą zmienność efektywności w zależności od warunków atmosferycznych. Sezonowy współczynnik efektywności SCOP oraz roczny wskaźnik SPF dostarczają pełniejszego obrazu rzeczywistych kosztów i wydajności niż punktowe wartości COP.
Właściwy dobór pompy ciepła, dostosowanie systemu grzewczego do jej charakterystyki, a także poprawna eksploatacja i konserwacja pozwalają na maksymalne wykorzystanie potencjału tych urządzeń, nawet w chłodniejszym klimacie. Rozwój technologii, takich jak sprężarki inwerterowe i zaawansowane systemy odszraniania, sukcesywnie poprawia wydajność pomp ciepła przy niskich temperaturach.
