Posuzování energetické účinnosti tepelných čerpadel není tak jednoduché, jak by se mohlo na první pohled zdát. V technické praxi se setkáváme s řadou parametrů, z nichž každý slouží k jinému účelu a vypovídá o jiné vlastnosti zařízení.

U elektrických tepelných čerpadel je nejznámějším parametrem topný faktor COP, případně jeho sezónní varianta SCOP. U plynových tepelných čerpadel se naopak používají především ukazatele GUE (Gas Utilization Efficiency), PER (Primary Energy Ratio) a sezónní energetická účinnost ηs. Tyto parametry umožňují objektivně hodnotit účinnost technologie a porovnávat její přínosy z hlediska spotřeby energie, primární energie i dopadů na životní prostředí.

Pro správné posouzení technologie je důležité pochopit význam jednotlivých parametrů a jejich omezení.

Topný faktor COP

Nejznámějším hodnoticím parametrem tepelných čerpadel je topný faktor COP (Coefficient of Performance). Tento bezrozměrný ukazatel definovaný normou ČSN EN 14511 vyjadřuje poměr mezi vyrobeným teplem a spotřebovanou energií.

Topný faktor lze obecně vyjádřit jako:

COP = Qh / Pel

kde:

• Qh je dodané teplo [kW],
• Pel je elektrický příkon tepelného čerpadla [kW].

COP tedy vyjadřuje efektivitu přenosu energie při konkrétních provozních podmínkách.

Čím vyšší je hodnota COP, tím více tepla je zařízení schopno vyrobit z jednotky dodané energie.

Je však nutné zdůraznit, že COP není konstantní hodnota. Významně závisí zejména na:

• teplotě zdroje energie,
• teplotě topné vody,
• provozním výkonu zařízení,
• klimatických podmínkách.

Proto se spolu s hodnotou COP vždy uvádějí i podmínky měření.

Příklad:

COP = 4,5 (A7/W35)

znamená, že tepelné čerpadlo při teplotě venkovního vzduchu 7 °C a teplotě topné vody 35 °C vyrobí 4,5krát více tepla, než kolik spotřebuje elektrické energie.

Samotná hodnota COP poskytuje pouze informaci o provozu při jednom konkrétním pracovním bodě. Nevypovídá o skutečném chování zařízení během celé topné sezóny.

Sezónní topný faktor SCOP

Z tohoto důvodu byl zaveden sezónní topný faktor SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), definovaný normou ČSN EN 14825.

SCOP vyjadřuje poměr mezi celkovým množstvím tepla dodaného během topné sezóny a celkovou spotřebou energie za stejné období.

SCOP = Qh / Qhe

kde:

• Qh je roční produkce tepla [kWh],
• Qhe je roční spotřeba elektrické energie [kWh].

Na rozdíl od COP zohledňuje SCOP:

• proměnlivé venkovní teploty během topné sezóny,
• provoz při částečném zatížení,
• odmrazovací cykly vzduchových tepelných čerpadel,
• spotřebu pomocných zařízení,
• spotřebu v pohotovostních a vypnutých režimech.

SCOP proto představuje výrazně realističtější ukazatel energetické účinnosti než laboratorní hodnota COP.

Přesto je třeba mít na paměti, že SCOP stále vychází z normovaných klimatických podmínek a představuje výpočtovou hodnotu. Skutečný provoz konkrétní instalace se může od normových předpokladů významně lišit.

Proč nelze hodnotit plynová tepelná čerpadla pomocí COP

Plynová tepelná čerpadla pracují na stejném fyzikálním principu jako tepelná čerpadla elektrická. Liší se však způsobem dodání energie potřebné k realizaci termodynamického oběhu.

Zatímco elektrické tepelné čerpadlo využívá převážně elektrickou energii, absorpční plynové tepelné čerpadlo využívá především energii dodanou spalováním plynu.

Z tohoto důvodu není vhodné přímo porovnávat:

• COP elektrického tepelného čerpadla,
• GUE plynového tepelného čerpadla.

Oba parametry totiž vycházejí z odlišných energetických vstupů a jejich číselné hodnoty nejsou přímo srovnatelné.

Moderní elektrická tepelná čerpadla mohou za příznivých laboratorních podmínek dosahovat hodnot COP vyšších než 5, zatímco plynová tepelná čerpadla zpravidla dosahují hodnot GUE nižší než 2. Samotné porovnání těchto čísel však nic nevypovídá o skutečné energetické, environmentální ani ekonomické výhodnosti jednotlivých technologií.

Faktor využití plynu GUE

Pro hodnocení plynových tepelných čerpadel se používá faktor využití plynu GUE (Gas Utilization Efficiency).

GUE vyjadřuje poměr mezi vyrobeným teplem a energií dodanou ve formě zemního plynu:

GUE = Qh / Qgas

kde:

• Qh je dodané teplo [kWh],
• Qgas je energie dodaná plynem [kWh].

V praxi se energie dodaná plynem stanovuje ze spotřebovaného objemu plynu a jeho výhřevnosti:

Qgas = Vgas · Hi

kde:

• Vgas je spotřebovaný objem plynu [m³],
• Hi je výhřevnost plynu [kWh/m³].

Tento parametr představuje praktický ekvivalent topného faktoru COP používaného u elektrických tepelných čerpadel. Hodnota GUE vyšší než 1 znamená, že zařízení kromě energie obsažené v palivu využívá také obnovitelnou energii získanou z okolního prostředí.

Příklad:

GUE = 1,60

znamená, že z každé 1 kWh energie obsažené v zemním plynu zařízení vyrobí 1,6 kWh tepla. Rozdíl představuje energie odebraná z okolního prostředí.

Typické hodnoty GUE se pohybují:

• 1,4 až 1,7 pro systémy vzduch/voda,
• až okolo 1,8 pro systémy země/voda nebo voda/voda.

Stejně jako u COP se jedná o parametr vztahující se ke konkrétním provozním podmínkám např. A7/W35.

Primární energie a faktor PER

Při porovnávání různých technologií vytápění, zejména v energetických auditech, environmentálních studiích a průkazech energetické náročnosti budov, nelze hodnotit pouze účinnost samotného zdroje. Stejně důležité je zohlednit i druh používané energie nebo paliva a energii potřebnou k jeho získání a dodání ke spotřebiteli.

Každý energonositel je totiž spojen s odlišnou energetickou náročností související například s:

• těžbou paliva,
• úpravou a zpracováním suroviny,
• výrobou energie,
• distribucí a přenosem,
• skladováním,
• dopravou a souvisejícími ztrátami.

K objektivnímu porovnání různých energonositelů proto slouží pojem primární energie. Tou rozumíme energii ve formě, v jaké se vyskytuje v přírodě před jakoukoliv přeměnou nebo zpracováním.

Faktory primární neobnovitelné energie

Pro převod dodané energie na neobnovitelnou primární energii se používají konverzní faktory.

Pro ilustraci lze uvést typické hodnoty používané v evropské energetické legislativě a české praxi:

Z tabulky je patrné, že z pohledu primární energie představuje 1 kWh elektřiny vyšší zatížení než 1 kWh zemního plynu. Důvodem jsou ztráty vznikající při výrobě a distribuci elektrické energie.

Naopak obnovitelné zdroje energie, jako je energie prostředí nebo sluneční záření, nejsou zatíženy spotřebou neobnovitelné primární energie.

Z tohoto důvodu nemusí být technologie s nejvyšším COP automaticky technologií s nejnižší spotřebou primární energie.

Poměr primární energie PER

Parametr PER (Primary Energy Ratio) vyjadřuje poměr mezi dodaným teplem a spotřebovanou primární energií.

PER = Qh / QPE

kde:

• Qh je dodané teplo,
• QPE je spotřebovaná primární energie.

Na rozdíl od COP nebo GUE zohledňuje celý energetický řetězec od výroby energie až po její využití v budově.

PER proto představuje jeden z nejobjektivnějších ukazatelů energetické náročnosti technologie. Právě hodnocení pomocí primární energie je důvodem, proč nelze technologie posuzovat pouze podle hodnot COP nebo GUE.

Příklad výpočtu PER

Význam parametru PER lze ilustrovat na jednoduchém příkladu.

Elektrické tepelné čerpadlo

SCOP = 4,0

PER = 4 / 2,6 = 1,54

Plynové absorpční tepelné čerpadlo

GUE = 1,50

PER = 1,5 / 1,1 = 1,36

Z uvedeného příkladu je patrné, že rozdíl mezi oběma technologiemi není při přepočtu na primární energii zdaleka tak výrazný, jak by naznačovalo samotné porovnání hodnot COP a GUE.

Právě proto se při energetických auditech, hodnocení budov a zpracování PENB používají ukazatele založené na primární energii namísto jednoduchého porovnávání topných faktorů.

Sezónní energetická účinnost vytápění ηs (parametr ErP)

S požadavkem na jednotné hodnocení energetické náročnosti zdrojů tepla v rámci Evropské unie vznikla legislativní řada nařízení o ekodesignu a energetickém štítkování zdrojů tepla.Pro tepelná čerpadla mají zásadní význam zejména Nařízení Komise (EU) č. 811/2013 a 813/2013.

Základním hodnoticím parametrem těchto nařízení je sezónní energetická účinnost vytápění ηs. Přestože název obsahuje slovo „účinnost“, nejedná se o klasickou fyzikální účinnost zdroje ve smyslu kotle nebo spalovacího zařízení.

Parametr ηs je legislativně definovaný ukazatel, který vychází ze sezónního topného faktoru zařízení stanoveného podle normy EN 14825. Do výsledné hodnoty jsou následně započteny převody na primární energii a korekční faktory zohledňující skutečné technické řešení zařízení.

Patří mezi ně například:

• pomocné elektrické spotřeby,
• oběhová čerpadla,
• regulace,
• pohotovostní režimy,
• provozní ztráty systému.

Výsledná hodnota ηs umožňuje objektivně porovnávat různé technologie vytápění v jednotném evropském systému energetického štítkování. Právě hodnota ηs určuje zařazení zdroje tepla do energetické třídy např. A++.

Energetický štítek neposuzuje ekonomickou výhodnost technologie ani její investiční náročnost. Vyjadřuje především efektivitu využití energie podle metodiky definované evropskou legislativou.

Které parametry jsou důležité v praxi?

Z pohledu projektanta, energetického specialisty nebo investora nelze rozhodnutí o vhodnosti technologie založit pouze na jediné hodnotě. Každý parametr popisuje jiný aspekt provozu a jejich význam se liší podle účelu hodnocení.

Shrnutí

Pro hodnocení plynových tepelných čerpadel nelze používat stejné postupy jako u tepelných čerpadel elektrických. Zatímco elektrická tepelná čerpadla jsou obvykle posuzována pomocí parametrů COP a SCOP, u plynových tepelných čerpadel hraje klíčovou roli především faktor využití plynu GUE.

Pro objektivní porovnání různých technologií je však nutné jít ještě dále a hodnotit spotřebu primární energie pomocí ukazatele PER. Právě tento parametr dnes tvoří základ energetických auditů, průkazů energetické náročnosti budov, dotačních programů i evropské legislativy v oblasti ekodesignu.

Uvedené hodnoticí parametry poskytují důležitou informaci o vlastnostech technologie, stále se však jedná převážně o laboratorní nebo výpočtové údaje. Skutečný přínos plynových tepelných čerpadel lze objektivně posoudit až v rámci energetického hodnocení budovy, energetického auditu nebo na základě dlouhodobého provozního měření zdroje a celé otopné soustavy.

V následujícím článku se proto zaměříme na využití plynových tepelných čerpadel v průkazech energetické náročnosti budov (PENB) a energetických auditech.