Współczynnik COP pompy ciepła - czym jest i co nam mówi o efektywności?

Wskaźnik COP - co to takiego?

Zacznijmy od prostych teoretycznych podstaw. COP (ang. Coefficient of Performance) to podstawowy wskaźnik efektywności pompy ciepła. Informuje on, ile jednostek ciepła jest produkowanych przez urządzenie w stosunku do ilości pobranej przez niego energii elektrycznej. Energia ta jest potrzebna do uruchomienia „serca” pompy, czyli sprężarki. Najwyższe COP osiągają najczęściej pompy gruntowe, niższe zaś – pompy powietrzne. 

Przykładowo, jeżeli COP pompy jest równe 4, to pobierając 1 kWh energii elektrycznej, jest ona w stanie wytworzyć 4 kWh energii cieplnej. Wydajność takiego systemu grzewczego wynosi zatem 400%. Podobny wynik jest nieosiągalny dla jakiejkolwiek innej technologii ogrzewania.

Wskaźnik COP wpływa też na pobór energii elektrycznej. Im wyższa wartość współczynnika, tym mniej prądu potrzebuje urządzenie w stosunku do wytwarzanego ciepła. Taka zależność pozwala wstępnie oszacować koszty eksploatacyjne pompy z wykorzystaniem wzoru:

Zużycie energii elektrycznej = Zapotrzebowanie na ciepło / COP 

Przykładowo, jeśli roczne zapotrzebowanie budynku na energię cieplną wynosi 10 000 kWh, a pompa ma współczynnik COP równy 4, to sezonowe zużycie prądu w takim budynku wynosić będzie 2500 kWh. Mnożąc wynik przez koszt 1 kWh, otrzymujemy szacowaną kwotę rachunku za ogrzewanie (np. 2500 kWh x 0,62 zł = 1550 zł).

Teoria vs praktyka: COP pompy ciepła a temperatura

W praktyce sprawa COP jest bardziej skomplikowana. Wskaźnik ten jest bowiem podawany i mierzony przez producentów, gdy urządzenie pracuje w ściśle określonych warunkach. Te zaś, jak się nietrudno domyślić, są zmienne i zależne od wielu czynników, takich jak lokalizacja budynku, temperatura zewnętrzna otoczenia czy preferencje grzewcze użytkowników. Tymczasem COP nie jest wartością stałą, ale dynamiczną, a na zakres zmian wpływają w jego przypadku dwie wartości: 

• T_C - temperatura dolnego źródła ciepła, czyli źródła, z którego pompa ciepła pozyskuje energię (powietrze, grunt, woda).
• T_H - temperatura górnego źródła ciepła, czyli systemu, do którego pompa oddaje ciepło (np. grzejniki, ogrzewanie podłogowe).

Obie wartości są podawane w Kelwinach. COP jest tym wyższy, im mniejsza jest różnica temperatur między dolnym a górnym źródłem ciepła, co wynika ze wzoru:

COP = T_H / T_H - T_C. 

Najkorzystniejsza dla efektywności pompy jest zatem niewielka różnica temperatur między dolnym a górnym źródłem ogrzewania. Przykładowo, jeżeli ogrzewamy dom powietrzną pompą ciepła, a temperatura dolnego źródła (powietrza) wynosi 10°C (283 K), zaś temperatura źródła górnego 45°C (308 K), to COP pompy wynosi ok. 9. Jeżeli jednak temperatura otoczenia spadnie do -10°C, a temperatura górnego źródła ma pozostać bez zmian (45°C), to wówczas COP będzie wynosił nie 9, a ok. 5,7. 

Z powyższych wskazań płynie istotny wniosek: porównywanie pomp ciepła tylko na podstawie współczynnika COP ma sens wyłącznie wtedy, gdy pomiaru tego parametru dokonano w tych samych warunkach. Nawet jeśli dwie inne pompy badano w takich samych warunkach (np. 5°C dla dolnego i 35°C dla dolnego źródła ciepła), to wyższy współczynnik COP istotnie świadczy o lepszej sprawności jednego z urządzeń, nie można mieć jednak pewności, że nadal będzie ono efektywniejsze, gdy spadnie temperatura dolnego źródła lub wzrośnie temperatura źródła górnego. To dlatego w kontekście sprawności takich urządzeń bardziej miarodajne są często dwa inne współczynniki: SCOP i SPF.

COP a SCOP

SCOP (ang. Seasonal Coefficient of Performance) obejmuje średnią efektywność pompy ciepła w ciągu całego sezonu grzewczego, uwzględniając zmiany temperatury zewnętrznej. Jest bardziej reprezentatywny niż COP dla całorocznych kosztów eksploatacji. Aby go obliczyć, należy (1) zmierzyć całkowitą ilość ciepła dostarczonego przez pompę w sezonie grzewczym, (2) oszacować całkowite zużycie energii elektrycznej przez pompę w tym samym okresie, a następnie (3) podzielić sumę dostarczonego ciepła przez sumę dostarczonego prądu:

SCOP = suma dostarczonego ciepła / suma pobranego prądu

SCOP jest bardziej miarodajny od COP, ponieważ uwzględnia zmienność warunków zewnętrznych, które wpływają na efektywność pompy ciepła w różnych okresach sezonu grzewczego.

Aby lepiej zobrazować różnicę między SCOP a COP, przyjrzyjmy się modelowemu domowi o powierzchni 150 m² z zapotrzebowaniem na ciepło wynoszącym 100 kWh/m² na sezon grzewczy, którego całkowite zapotrzebowanie na ciepło w sezonie wynosi 15,000 kWh. Pompa ciepła używana w tym domu ma COP wynoszący 4 w idealnych warunkach laboratoryjnych, co oznacza, że na każdą jednostkę energii elektrycznej dostarczonej do pompy uzyskujemy 4 jednostki ciepła. Jednak rzeczywiste warunki sezonu grzewczego różnią się znacznie od idealnych.

W listopadzie, przy średniej temperaturze 5°C, zapotrzebowanie na ciepło wynosi 3,000 kWh, a średni COP spada do 3.8, co przekłada się na zużycie energii elektrycznej wynoszące około 789 kWh. W najzimniejszych miesiącach, od grudnia do lutego, średnia temperatura wynosi -2°C, a zapotrzebowanie na ciepło wzrasta do 9,000 kWh. Średni COP w tym okresie to 3.2, co oznacza zużycie energii elektrycznej na poziomie około 2,813 kWh. W marcu, gdy średnia temperatura wynosi 6°C, zapotrzebowanie na ciepło znów wynosi 3,000 kWh, a średni COP wynosi 3.7, co daje zużycie energii elektrycznej na poziomie około 811 kWh.

Całkowite zapotrzebowanie na ciepło w sezonie grzewczym wynosi 15,000 kWh, a całkowite zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła wynosi 4,413 kWh. W rezultacie SCOP wynosi około 3.4, co jest bardziej reprezentatywne dla rzeczywistych warunków, niż COP wynoszący 4 w idealnych warunkach. Dzięki temu SCOP lepiej odzwierciedla rzeczywistą efektywność pompy ciepła i daje dokładniejszy obraz całorocznych kosztów eksploatacji.

COP a SPF

SPF (ang. Seasonal Performance Factor) to wskaźnik wydajności sezonowej, który podobnie jak SCOP, mierzy rzeczywistą efektywność systemu w określonym okresie. Jednak SPF uwzględnia nie tylko pracę pompy ciepła potrzebną do ogrzania, ale i chłodzenia budynku. Aby obliczyć ten wskaźnik, należy (1) oszacować całkowitą ilość dostarczonego lub odprowadzonego ciepła w całym sezonie, (2) zmierzyć całkowite zużycie energii elektrycznej przez cały system w tym samym okresie, a potem (3) podzielić sumę energii cieplnej przez sumę zużytej energii elektrycznej:

SPF = (suma ciepła dostarczonego w ciągu sezonu + suma ciepła odprowadzonego w ciągu roku) / całkowita energia elektryczna zużyta przez pompę w tym okresie

SPF okazuje się zatem współczynnikiem bardziej miarodajnym od SCOP wówczas, gdy przewidujemy nie tylko ogrzewanie, ale i chłodzenie budynku w okresie letnim. Jeżeli taka potrzebna nie występuje, wówczas jego wartość będzie analogiczna do SCOP.

Czym się zatem kierować, wybierając pompę ciepła?

Jak wykazaliśmy, COP pompy ciepła jest istotnym, ale nie jedynym i nie zawsze miarodajnym parametrem w kontekście jej doboru. Bardziej reprezentatywne okazują się częściej współczynniki SCOP lub SPF, na podstawie których można precyzyjniej określić nie tylko sprawność pompy, ale i lepiej oszacować jej koszty eksploatacyjne. To, jak dalece efektywna będzie technologia grzewcza, zależy tak naprawdę od wielu czynników, w tym specyfiki i lokalizacji budynku obsługiwanego przez pompę oraz indywidualnych preferencji jego użytkowników. 

Warto też wiedzieć, że istnieje wiele sposobów na to, by zmaksymalizować sprawność systemu grzewczego, np. termomodernizacja domu, inwestycja w ogrzewanie niskotemperaturowe czy rekuperację z odzyskiem ciepła. Trafny wybór systemu grzewczego to niełatwe zadanie, które warto skrupulatnie przeanalizować i omówić z fachowcem. Jeśli masz pytania lub potrzebujesz porady, umów się już teraz na bezpłatną i niezobowiązującą rozmowę z ekspertem Viessmann.