Współczynnik COP a efektywność pracy pompy ciepła

Pompa ciepła to najtańszy sposób pozyskiwania energii cieplnej do ogrzewania domu i c.w.u.

Coraz więcej osób inwestuje w małe, przydomowe odnawialne źródła energii, takie jak chociażby panele fotowoltaiczne czy kolektory słoneczne. W związku z tym, udział OZE w pełnym bilansie energetycznym w Polsce, z roku na rok jest coraz wyższy. Ogromny wpływ na to ma unijna polityka energetyczna, zakładająca osiągnięcie do 2050 roku neutralności klimatycznej. Dlatego też, tak duży nacisk kładzie się na rozwój odnawialnych źródeł związanych nie tylko z produkcją energii, ale i ciepła. Osoby zainteresowane ekologicznymi inwestycjami mogą skorzystać zarówno z różnych form dofinansowania OZE, jak i ze specjalnej oferty kredytowej, którą przeznaczyć mogą na tego rodzaju rozwiązania.

Przy czym ogromnym zainteresowaniem, cieszy się nie tylko fotowoltaika, dzięki której uniezależnić można się od rosnących cen prądu (własną elektrownia słoneczną posiada już przeszło 1,2 mln prosumentów), ale i pompy ciepła. Jak szacuje PORT PC, tylko w 2022 roku, w polskich domach zainstalowanych łącznie 203.300 sztuk tych urządzeń, z czego najbardziej spektakularna okazała się sprzedaż pomp ciepła typu powietrze-woda, z wynikiem 188.200 sztuk.

Pompy ciepła stanowią doskonałe uzupełnienie instalacji PV i rekuperacji. Coraz częściej również pompy ciepła współpracują z magazynami energii, dzięki którym gospodarstwa domowe, jak i firmy osiągnąć mogą nawet 90 proc. samowystarczalność energetyczną (sprawdźcie dlaczego jeszcze warto postawić na magazyn energii?). Pompy ciepła są bowiem jednym z najefektywniejszych, najbardziej ekologicznych i przynoszących największe oszczędności urządzeń, które służą do ogrzewania domu, podgrzewania wody użytkowej oraz chłodzenia pomieszczeń latem.

Boom na pompy ciepła wynika nie tylko z coraz większej troski Polaków o środowisko naturalne, ale i z rosnących cen paliw (w tym cen gazu, węgla, czy oleju opałowego). Urządzenia te stanowią na ten moment najtańszy sposób pozyskiwania energii cieplnej do ogrzewania domu i c.w.u. Niekwestionowaną zaletą pomp ciepła jest też niski koszt eksploatacji. W porównaniu bowiem z kotłem na olej lub gaz płynny, daje ona rocznie oszczędności rzędu kilku tysięcy złotych (sprawdźcie zalety i wady pompy ciepła i gazu). Ponadto całkowity koszt inwestycji w to źródło ciepła obniżyć może ulga termomodernizacyjna, czy też skorzystanie z dofinansowania do pompy ciepła, w tym z takich programów, jak:

• Czyste Powietrze;
• Moje Ciepło;
• Ciepłe Mieszkanie;
• Stop Smog;
• Mój Prąd.

Wybór odpowiedniej pompy ciepła zależy od wielu czynników

Wybór pompy ciepła to poważna decyzja, przede wszystkim z powodu wysokich początkowych kosztów inwestycji oraz tego, że powinna nam ona efektywnie służyć przez kolejne kilkadziesiąt lat. Nie ma tu więc mowy o jakichkolwiek pomyłkach, czy niedociągnięciach. Przy okazji, od razu zaznaczam, że właściwy dobór tego urządzenia najlepiej zostawić jest specjalistom, którzy posiadają w tym zakresie stosowną wiedzę, a więc instalatorom lub projektantom instalacji grzewczych. Bez odpowiedniego przygotowania i narzędzi, ciężko jest bowiem dobrać taką pompę, która odpowiadać będzie potrzebom domu i jego domowników. Nie oznacza to oczywiście, że nie warto już wcześniej zapoznać się z ofertą producentów pomp ciepła i porównać cechy oraz parametry interesujących nas urządzeń (dobrze w tym celu skorzystać z naszego rankingu pomp ciepła).

Wybór najbardziej dopasowanego urządzenia zawsze należy rozpatrywać indywidualnie, bowiem to co sprawdzi się u naszego sąsiada, niekoniecznie będzie trafne i u nas. Przy czym, na początku warto zadać sobie pytania dotyczące tego:

• jaką funkcję będzie pełnić pompa ciepła? Czy ma ona ogrzewać dom i przygotowywać ciepłą wodę użytkową oraz chłodzić pomieszczenia latem, czy też służyć jedynie do podgrzania wody (pompa ciepła do c.w.u.);
• jakie źródło dolne pompy ciepła wybrać? Ponieważ jeśli nie chcemy by pompa podgrzewała jedynie wodę użytkową, a przede wszystkim stanowiła źródło ogrzewania budynku, to wówczas zasadniczą kwestią jest dobór dolnego (niskotemperaturowego) źródła ciepła, którym może być powietrze, woda lub grunt (to właśnie temperatura dolnego źródła oraz jej zmiany mają kluczowe znaczenie dla pracy pomp ciepła). Najtańsze są pompy ciepła powietrzne, najdroższe, ale i jednocześnie najtańsze w eksploatacji są pompy ciepła gruntowe z wymiennikiem pionowym (wynika to z faktu, że temperatura gruntu na głębokości poniżej 10 m wynosi przez cały rok więcej niż 10°C, co pozwala na ich stabilną pracę na stałym poziomie efektywności);
• jakiej mocy pompy ciepła jest nam potrzebna? Jej prawidłowy dobór niweluje bowiem ryzyko niedogrzania budynku (podczas gdy temperatura na zewnątrz ulega obniżeniu), zapobiega nierównej pracy urządzenia i skróceniu jego żywotności w standardowych warunkach pracy.

COP – co oznacza ten współczynnik?

Decydując się na pompę ciepła nie można jednak kierować się wyłącznie jej mocą. Porównując urządzenia należy zwrócić także uwagę na poszczególne elementy ich budowy, automatykę, dobór prądu oraz tak ważne współczynniki jak:

• SCOP (ang. Seasonal Coefficient Of Performance), czyli współczynnik sezonowy, który określa stosunek energii cieplnej potrzebnej do ogrzania budynku w trakcie sezonu;
• SPF (ang. Seasonal Performance Factor), czyli wartość opisującą efektywność pompy ciepła w ciągu całego roku z uwzględnieniem zmian temperatury zewnętrznej, zmiennego zapotrzebowania na ciepło i c.w.u. w warunkach rzeczywistych. Sposób obliczania tego współczynnika jest taki sam jak SCOP, dotyczy jednak rzeczywistych warunków w jakich pracuje instalacja (obliczany jest na podstawie ilości dostarczonego ciepła i dokładnie zmierzonego zużycia prądu.

Najwięcej inwestorów jednak porównując pompy ciepła, w pierwszej kolejności zwraca uwagę na współczynnik COP, który nazywany jest niekiedy współczynnikiem wydajności – czyli efektywności pracy tego urządzenia. Czy słusznie? Czy zawsze podawana wartość COP jest obiektywnym kryterium do oceny różnych pomp ciepła? Zanim do tego przejdziemy skupmy się na tym, co oznacza ten skrót.

Współczynnik COP pompy ciepła – jak go odczytywać?

Otóż COP (ang. Coefficient Of Performance), jest to wartość znamionowa pomp ciepła, która opisuje proporcję pomiędzy wyprowadzoną z urządzenia energią cieplną, a doprowadzoną energią elektryczną, w określonych warunkach zewnętrznych. Ujmując jednak prościej, współczynnik ten określa, ile urządzenie to dostarcza ciepła do ogrzewania domu, do ilości zużytej przy tym energii elektrycznej. Tak więc współczynnik COP wskazuje to, w jakim stopniu pompa ciepła wykorzystuje ciepło pozyskane z otoczenia, w stosunku do zużytego prądu. Współczynnik COP odnosi się do dwóch konkretnych źródeł energii:

• dolnego (niskotemperaturowego), z którego energia cieplna jest pobierana, a więc powietrza, gruntu lub wody, umożliwiających ogrzanie czynnika chłodniczego w pompie ciepła w ekologiczny sposób. Przy czym najlepiej z punktu widzenia jej wydajności i możliwych oszczędności energii, jest takie źródło dolne, które charakteryzuje się stałą temperaturą i zapewnia małą jej różnicę między źródłem dolnym, a instalacją odbierającą ciepło (warunek ten spełnia gruntowa pompa ciepła);
• górnego czyli instalacji grzewczej w budynku, do której ciepło jest przekazywane przez czynnik chłodniczy. Następnie instalacja ta oddaje ciepło w pomieszczeniu, najczęściej poprzez ogrzewanie podłogowe, które w przypadku pompy ciepła sprawdza się najlepiej (może to być także każde inne ogrzewanie płaszczyznowe, takie jak chociażby ścienne, czy sufitowe).

Współczynnik COP uwzględnia ilość zużytej energii elektrycznej i dostarczonej energii cieplnej w konkretnej chwili (nie jest on więc wartością stałą, a jedynie chwilową, która zmienia się wraz z temperaturą). Dlatego też, nie wskaże nam on tego, ile zapłacimy za ogrzewanie domu.

Współczynnik COP liczy się z następującego wzoru:

• COP = QHP / EEL

gdzie:

• QHP – to ciepło przekazane przez pompę w trakcie pomiaru [J]
• ELL– to zużycie energii elektrycznej w trakcie pomiaru [J]

Za przykład może posłużyć następujący przypadek, gdzie:

• 2 kW – to energia pobrana z prądu;
• 6 kW – to energia z darmowego źródła (powietrze, grunt, woda).

2 kW + 6 kW = 8 kW
COP = 8 kW / 2 kW = 4

Obliczenie to wskazuje, że zapotrzebowanie domu na ciepło wynosi 8 kW. Sama pompa ciepła jest w stanie pobrać z otoczenia 6 kW darmowej energii i 2 kW energii elektrycznej, która jest niezbędna do jej uruchomienia i działania. Wartości te następnie sumujemy i dzielimy przez energię pobraną z sieci. W tym konkretnym przypadku COP pompy ciepła wynosi 4. Oznacza to więc, że z 1 kW energii elektrycznej otrzymać możemy 4 kW energii na potrzeby ogrzewania (efektywność wynosi wynosi tutaj 1 do 4). Im wyższy jest otrzymany wynik COP, tym większe oszczędności dla naszego portfela (urządzenie pobiera wtedy mało energii, w zamian za którą oddaje nam pożądaną temperaturę).

COP – nie zawsze porównanie tego współczynnika jest miarodajne

COP może służyć do porównania urządzeń. Nie zawsze jednak porównanie wartości tego współczynnika w różnych pompach ciepła jest miarodajne. Dlaczego? Ponieważ podany przez producentów tych urządzeń współczynnik COP to parametr, który uzyskany został podczas badania przeprowadzonego w konkretnych, zdefiniowanych warunkach, które mogą jednak wielokrotnie ulegać zmianom w domu jego użytkownika. Aby dokładnie porównać poszczególne pompy ciepła, należałoby to zrobić dla zawężonych wartości, określonych jako:

• B0/W35, które oznacza temperaturę płynu krążącego w wymienniku gruntowym (Brain – solanka/glikol) wynoszącą 0°C i wodę grzewczą (Water – woda) zasilającą instalację centralnego ogrzewania o temperaturze 35°C (podłogówkę);
• A7/W35 oznaczającą powietrze zewnętrzne (Air – powietrze) o temperaturze 7°C i wodę grzewczą zasilającą instalację centralnego ogrzewania o temperaturze 35°C (instalację podłogową).

Niestety warunki laboratoryjne, które charakteryzują się swoją niezmiennością, z reguły nijak mają się już do rzeczywistych warunków pracy pompy ciepła. Ponieważ zależą one od warunków atmosferycznych, które są w naszym klimacie bardzo zmienne. Współczynnikiem, bliższym rzeczywistym parametrom efektywności pracy tego urządzenia grzewczego jest tzw. SCOP, uwzględniający zmienne w czasie warunki jego pracy, co z kolei umożliwia bardziej precyzyjne oszacowanie kosztów eksploatacji i tym samym ogrzewania domu.

COP odnosi się obecnie do normy PN-EN 14511

Jak już wiemy, porównując ze sobą poszczególne pompy ciepła różnych producentów, warto upewnić się, że COP określony jest przez nich na podstawie tej samej normy. Firmy mają bowiem obowiązek dostarczyć dane o wartościach współczynnika efektywności COP, jak i mocy grzewczej dla określonych normą PN-EN 14511 temperatur zasilania, zarówno:

• po stronie temperatur powietrza zewnętrznego (dolne źródło pompy ciepła);
• jak i po stronie grzewczej (górne źródło pompy ciepła).

Tabela minimalna wartość współczynnika COP według normy PN-EN 14511:

Nowa norma nakazuje, aby współczynnik COP podawany był dla co najmniej pięciu charakterystycznych punktów pomiarowych (czyli temperatur w zakresie: +12, +7, +2, -7 i -15°C). Ponadto różnica temperatur, np. dla wody powinna wynosić 5°C. Co ważne, współczynnik ten ma także uwzględniać energię pomp obiegowych (wentylatora), która jest niezbędna do pracy całej instalacji.

Cały czas jednak można spotkać się z wyliczeniami zgodnymi ze starą normą PN-EN 255, gdzie różnice w porównaniu z normą PN-EN 14511, wynosić mogą nawet kilka procent. Pomimo jednak tego, że nowa norma jest znacznie dokładniejsza, to i tak nadal nie uwzględnia ona parametrów pracy na przestrzeni całego sezonu grzewczego, a więc zmiennego obciążenia cieplnego i różnic klimatycznych w przypadku poszczególnych krajów.

Innym, równie ważnym z punktu widzenia klienta symbolem jest Europejski Znak Jakości dla Pomp Ciepła (EHPA-Q). Narzuca on bowiem nie tylko dodatkowe wymagania do spełnienia przez samo urządzenie, ale i potwierdza jakość jego wykonania. Znak EHPA-Q może zostać przyznany wyłącznie energooszczędnym, niezawodnym i trwałym produktom o wysokim standardzie obsługi użytkowników. Oznacza to, że jego zdobycie wiąże się ze spełnieniem bardzo rygorystycznych kryteriów, takich jak m.in.

• zapewnienie gwarancji do części zamiennych na okres 10 lat;
• zapewnienie minimum dwuletniej gwarancji na urządzenie;
• posiadanie na terenie kraju rozbudowanej sieci serwisowej (w tym serwis pompy ciepła gwarantujący czas reakcji do 24 godzin od momentu wystąpienia usterki lub zgłoszenia przez klienta).

W przypadku, gdy wybrana przez nas pompa ciepła nie posiada tego znaku jakości, to dobrze jest sprawdzić, czy deklarowane przez producenta COP, sprawdzone zgodnie z normą EN 14511, zostało potwierdzone przez niezależny, autoryzowany ośrodek akredytacji (certyfikacja urządzenia nie jest bowiem obowiązkiem producenta). Jeśli natomiast okaże się, że urządzenie nie posiada zarówno znaku jakości, jak i nie zostało przebadane w powyższy sposób, to oznacza, że podany przez firmę współczynnik COP jest wyłącznie jej deklaracją.

Efektywność pompy ciepła zależna od jej budowy

Efektywność pompy ciepła jest tym wyższa, im mniejsza występuje różnica temperatury pomiędzy dolnym, a górnym źródłem ciepła. To z kolei przekłada się na większe korzyści ekonomiczne, pozwalając tym samym na znaczne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej, która potrzebna jest do napędu sprężarki. Jak było wspomniane wcześniej, najwyższym współczynnikiem efektywności COP, charakteryzują się pompy ciepła gruntowe, szczególnie gdy rury wymiennika umieszczone są w ziemi pionowo, w odwiertach o głębokości 40 – 100 m, na której w Polsce temperatura wynosi ok. 8 -10°C.

Średnie COP najczęściej kupowanych gruntowych pomp ciepła (bez wartości ekstremalnych) wynosi ok. 4,8 (urządzenia te pobierając 1 kWh energii elektrycznej są w stanie wygenerować średnio 4,8 kWh ciepła). Warto tu podkreślić, że również w przypadku powietrznych pomp ciepła, ich sprawność z roku na rok jest coraz lepsza. Średnie COP (też bez ekstremum), dla pomp ciepła typu Split wynosi 3,6, a Monoblok – 3,8.

Na efektywność energetyczną pompy ciepła wpływ ma również szereg cech jej budowy. Przy czym, jednym z głównych elementów jest sprężarka, będąca swego rodzaju sercem obiegu pompy ciepła. Część ta zużywa nawet do 90 proc. wykorzystywanej przez nią energii elektrycznej. Dlatego też, jej konstrukcja i wydajność ma ogromny wpływ na efektywność pracy tego urządzenia. Dostępne obecnie pompy ciepła najczęściej wyposażone są w sprężarki inwerterowe, które pozwalają na płynną regulację jej mocy grzewczej.

W porównaniu ze starszymi modelami pomp ciepła, które pracowały z sprężarkami typu ON-OFF (włącz-wyłącz), te ze sprężarkami inwerterowymi szybciej osiągają wymagane parametry. Zaletą inwerterowej pompy ciepła jest redukcja ilości wyłączeń i ponownych uruchomień sprężarki (taktowania), co przekłada się na dłuższą jej trwałość. Albowiem częste wyłączanie się sprężarki (jak ma to miejsce przy tych ON-OFF), jest zjawiskiem niekorzystnym. Ponadto pompa z klasyczną sprężarką wymaga współpracy ze zbiornikiem buforowym, natomiast w większości przypadków pomp ciepła ze sprężarkami inwerterowymi, zastosowanie takiego zbiornika nie jest konieczne. Ma to naturalnie wpływ na obniżenie strat ciepła układu i zużycia energii elektrycznej przez pompy obiegowe. Tak więc, efektywność całego układu wzrasta, a koszty eksploatacji pompy ciepła maleją.

Klasy efektywności energetycznej pomp ciepła

Co ważne, od 2015 roku, dla urządzeń grzewczych, w tym i pomp ciepła, należy podawać etykietę energetyczną (wymaganą przez dyrektywę 2009/125/WE). Przy czym nowe kryteria efektywności energetycznej obowiązują od września 2019 roku. Zmieniło się wówczas kilka elementów. Jednym z nich było wprowadzenie najbardziej efektywnej klasy energetycznej A+++, przeznaczonej dla pomp ciepła powietrznych i gruntowych:

Etykiety energetyczne mogą ułatwić podjęcie decyzji o zakupie urządzenia, które zużywa najmniejsze ilości prądu. Pompy ciepła należą do urządzeń grzewczych o najwyższych klasach efektywności, która sięga poziomu przynajmniej A++ lub najwyższego A+++. Dla porównania, kotły elektryczne uzyskują klasę D, kotły na węgiel – C. Natomiast kotły grzewcze posiadają samodzielnie klasę A+ lub A++ dopiero przy wykorzystaniu energii odnawialnej. Od marca 2021 obowiązują nowe etykiety energetyczne, które nie mają już oznaczeń w formie plusów. Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2017/1369) wróciła bowiem zasada 7 – punktowej skali od A do G. Tak więc sprzęt, który miał dotychczas najwyższą klasą energetyczną A+++, w nowej skali w oznaczeniu będzie miał literę „C”. Od 1 marca 2021 roku jest ona obowiązkowa dla 5 grup produktowych, takich jak: lodówki, pralki, pralko-suszarki, zmywarki do naczyń, zamrażarki, urządzenia chłodnicze z funkcją sprzedaży bezpośredniej (np. szafy chłodnicze w supermarketach) oraz telewizory i monitory (wyświetlacze elektroniczne o powierzchni powyżej 100 cm2). Od 1 września 2021 roku natomiast obowiązkiem tym objęte są źródła światła (oświetlenie)

Poszukując ekologicznych i wydajnych źródeł ogrzewania, warto zdecydować się na pompę ciepła, która dzięki wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii należy do najbardziej efektywnych energetycznie urządzeń tego typu. Dokonując wyboru pompy ciepła, dobrze jest zwrócić uwagę na współczynnik COP, ponieważ im jest on większy, tym uzyskanie tej samej ilości ciepła wymaga mniejszego nakładu w postaci energii elektrycznej, za którą będziemy płacić.