Sprawność pompy ciepła w zależności od temperatury – to warto wiedzieć!

W tym wpisie omówimy:

• Czym są współczynniki COP i SCOP w kontekście sprawności pompy ciepła.
• Jak zmienia się sprawność pompy ciepła w zależności od temperatury. 
• Jak obliczać ten parametr, korzystając ze wzorów matematycznych. 
• W jaki sposób można zoptymalizować wydajność pompy ciepła w trudnych warunkach temperaturowych. 

COP i SCOP a sprawność pompy ciepła

Sprawność pompy ciepła określana jest poprzez współczynnik efektywności COP (ang. Coefficient of Performance). Informuje on o stosunku energii oddawanej do wnętrza budynku w postaci ciepła do energii elektrycznej pobranej z sieci. Choć pompa korzysta głównie z darmowych źródeł odnawialnych, to prąd jest jej potrzebny, by uruchomić sprężarkę odpowiadającą za transfer ciepła z dolnego do górnego źródła. COP jest istotny w kontekście doboru urządzenia do zapotrzebowania energetycznego domu. Warto jednak pamiętać, iż informuje on o sprawności pompy ciepła w stałej temperaturze. Bardziej miarodajnym wskaźnikiem jest SCOP (ang. Seasonal Coefficient of Performance) uwzględniający zmienność temperatury zewnętrznej w ciągu sezonu. 

Zarówno COP i SCOP pozwalają na ocenę efektywności działania pompy ciepła, jednak SCOP lepiej oddaje rzeczywistą efektywność urządzenia w skali całego roku. Oba parametry zmieniają się dynamicznie w zależności od temperatur dolnego i górnego źródła. Mówiąc o dolnym źródle, mówimy o źródłach odnawialnych, takich jak powietrze, grunt czy woda, natomiast mówiąc o źródle górnym - o temperaturze wody w systemie grzewczym.

Warto wiedzieć: Współczynnik COP jest też istotny w kontekście zużycia prądu. Jego wartość na poziomie np. 4 informuje nas, że pompa ciepła, pobierając z sieci elektroenergetycznej 1 kWh prądu, wyprodukuje około 4 kWh energii cieplnej, która może być wykorzystana do ogrzania pomieszczeń lub przygotowania ciepłej wody użytkowej. Mnożąc faktyczny pobór ciepła przez obowiązującą cenę energii elektrycznej, można wstępnie i orientacyjnie oszacować wysokość rachunków za ogrzewanie, o czym więcej pisaliśmy tutaj: Pompa ciepła i zużycie prądu

Jak temperatura wpływa na sprawność pompy ciepła?

Zasadniczo sprawność pompy ciepła jest największa, gdy dolne źródło ma wyższą temperaturę, a górne źródło możliwie najniższą. To dlatego pompa solanka/woda Vitocal G-222 będzie efektywniejszą zimą, niż pompa powietrzna. Temperatura gruntu w okresie zimowym jest bowiem zdecydowanie stabilniejsza, niż temperatura powietrza, która może wówczas wskazywać nawet dwucyfrową wartość ujemną.

Sprawność pompy ciepła w zależności od temperatury dolnego źródła ciepła

Aby zobrazować, jak temperatura dolnego źródła wpływa na sprawność pompy ciepła, najlepiej posłużyć się prostym przykładem. Skorzystamy w tym celu z uproszczonego wzoru na współczynnik efektywności COP, czyli:

COPT = 0,5 × (Tg / (Tg−Td))

Gdzie:

• COPT – sprawność pompy ciepła zależna od temperatury;
• Tg – temperatura górnego źródła (np. woda w systemie grzewczym) w stopniach Kelwina;
• Td – temperatura dolnego źródła (np. powietrza, gruntu), również w Kelwinach;
• 0,5 – współczynnik korygujący.

Załóżmy, że analizujemy przypadek dla powietrznej pompy ciepła Vitocal 150-A, gdzie dolne źródło, czyli powietrze zewnętrzne (Td) ma temperaturę 10°C. Temperatura górnego źródła, czyli systemu ogrzewania podłogowego (Tg) wynosi natomiast 35°C. Podstawiając dane pod wzór, otrzymujemy następujące równanie:

COPT = 0,5 × (308 / (308−283)) = 0,5 × 308 / 25 = 6,16 

Analogicznie, jeśli temperatura dolnego źródła spada do -10°C, to obliczenia będą wyglądać następująco:

COPT = 0,5 × (308 / (308−263)) = 0,5 × 308 / 45 = 3,42

Sprawność pompy ciepła w zależności od temperatury dolnego źródła ciepła w podanych przypadkach jest blisko dwukrotnie niższa, gdy różnica w temperaturze dolnego źródła wynosi 20°C. Zatem wraz ze spadkiem tej temperatury efektywność pompy ciepła drastycznie maleje.

Sprawność pompy ciepła w zależności od temperatury górnego źródła ciepła

Jak już wspomnieliśmy w kontekście górnego źródła ciepła, czyli systemu grzewczego budynku, pompy ciepła radzą sobie najlepiej, gdy jego temperatura jest możliwie najniższa. Oznacza to, że odpowiednie ustawienia systemu grzewczego mogą poprawić tę sprawność. Na przykład obniżenie temperatury w systemie ogrzewania podłogowego (do 35°C zamiast 50°C) zwiększa efektywność pompy ciepła, co pokazuje poniższy przykład obliczeń:

Aby to pokazać, ponownie posłużmy się prostymi obliczeniami. Załóżmy, że temperatura dolnego źródła (gruntu) pompy Vitocal 200-G wynosi 0°C. Porównajmy teraz, jak będzie wyglądać sprawność pompy gruntowej w dwóch przypadkach: 1) gdy zastosujemy ogrzewanie niskotemperaturowe (35°C) oraz 2) gdy zastosujemy ogrzewanie wysokotemperaturowe (50°C).

• Obliczenia dla ogrzewania niskotemperaturowego: COPT = 0,5 x (308 / (308−273)) = 4,40
• Obliczenia dla ogrzewania wysokotemperaturowego: COPT = 0,5 x (323 / (323−273)) = 3,23

Jak widać, niższa temperatura wody grzewczej pozwala na większą efektywność systemu. Różnica w naszym przypadku wynosi około 27%. 

Jak zoptymalizować sprawność pompy ciepła?

Sprawność pompy ciepła w zależności od temperatury dotyczy zwłaszcza pomp powietrznych, gdzie zmiany temperatury dolnego źródła są najbardziej dynamiczne i skrajne. Istnieje kilka skutecznych sposobów na to, by poprawić sprawność pompy ciepła tak, by radziła sobie ona dobrze nawet w przypadku niskich temperatur. Jednym z nich jest dobranie odpowiedniego bufora ciepła. Pozwoli on magazynować nadmiar energii cieplnej wytwarzanej przez urządzenie. Bufor pozwala także na zredukowanie częstotliwości załączania się sprężarki, co zwiększa jej żywotność i ogólną efektywność systemu.

Kolejnym sposobem jest optymalne ustawienie temperatury zasilania i powrotu w instalacji grzewczej. Im niższa temperatura zasilania, tym wyższa efektywność systemu. Dlatego w przypadku pomp ciepła polecane jest korzystanie z systemów ogrzewania niskotemperaturowego, takich jak ogrzewanie podłogowe czy ścienne, które wymagają niższych temperatur zasilania niż tradycyjne grzejniki. Obniżenie temperatury zasilania o kilka stopni może znacznie poprawić współczynnik efektywności COP, zwłaszcza przy ujemnych temperaturach na zewnątrz.

Nie bez znaczenia jest także odpowiednia termoizolacja budynku pozwalająca na minimalizowanie strat ciepła i zmniejszenie zapotrzebowania na energię grzewczą. Dzięki temu pompa ciepła będzie mogła pracować w optymalnych warunkach, a jej obciążenie zostanie ograniczone, co przyczyni się do niższych kosztów eksploatacji i dłuższej żywotności urządzenia.

W kontekście optymalizacyjnym istotne okazuje się też regularne serwisowanie i kontrola stanu pompy ciepła. Zanieczyszczenia w wymiennikach ciepła, niedobór czynnika chłodniczego czy niesprawne elementy układu mogą prowadzić do spadku wydajności systemu. Nie bez znaczenia jest też korzystanie z produktów i usług doświadczonych, renomowanych i zaufanych firm oraz specjalistów, którzy pomogą Ci dobrać pompę ciepła dostosowaną do indywidualnych potrzeb Twoich i Twojego domu. W Viessmann możemy Ci pomóc.