Foto: Klikkipetra, Shutterstock
Přidat na Seznam.cz Přidat na Google News

Co znamená topný faktor tepelného čerpadla (COP) či chladicí faktor klimatizace (EER) a jak se během roku mění

Topný faktor tepelného čerpadla vyjadřuje poměr mezi čerpadlem získaným teplem a k tomu spotřebovanou elektrickou energií. Čím je vyšší, tím je tepelné čerpadlo účinnější. Podobně chladicí faktor klimatizace (chlazení) vyjadřuje poměr mezi odebraným teplem z ochlazovaného prostoru a k tomu spotřebovanou elektřinou.

Tepelné čerpadlo vlastně odebírá v zimě teplo z chladného vnějšího prostředí, aby jím ohřívalo interiér na vyšší teplotu. Podobně klimatizace v létě odebírá teplo z interiéru a „ohřívá“ jím teplejší exteriér. Oba děje jdou proti spontánnosti přírody a oba jmenované stroje je realizují s pomocí elektrické energie. Ta je však jen zlomkem čerpané energie.

Jinými slovy, toto čerpání je většinou násobně výhodnější, než nákup elektřiny, plynu nebo uhlí k přímému vytápění. A pokud jde o léto, klimatizace je vlastně jedinou možností, jak ochladit interiér budov, když místní architektura a krajinné řešení „přitahují“ letní slunce a produkují výrazné přehřívání.

Princip čerpání tepla

Princip čerpání tepla se někdy demonstruje na cyklickém pohybu pístu ve válci, což připomíná obrácený spalovací motor. Vnější síla (elektromotor) pohybuje pístem, kde na straně expanze plynná výplň (nejčastěji vzduch) zchladne a na straně komprese se ohřeje. Z původního vzduchu o dané teplotě a hmotnosti tak lze vytěžit dva vzduchové objemy o stejné celkové hmotnosti, jeden ale s nižší teplotou a druhý s vyšší. Zbytek je jen technické řešení.

Obr. 1: Schéma tepelného čerpadla. Zdroj: Veolia

Velmi názorný je popis tepelného čerpadla (TČ) vzduch-voda na obr. 1, v němž pracovní tekutina (v plynném i kapalném stavu) nestřídá vysoký a nízký tlak při pohybu pístu, nýbrž absolvuje uzavřený okruh, v němž kompresor a expanzní ventil definují chladnou nízkotlakou a horkou vysokotlakou větev. Tento proces popisuje následujících pět bodů:

  1. Kompresor a expanzní ventil (škrtidlo) udržují pravou, červeně podbarvenou část okruhu tohoto tepelného čerpadla s kondenzátorem na vysokém tlaku a levý, modře obarvený okruh s výparníkem je na nízkém tlaku.
  2. Oběžná tekutina, natlakovaná kompresorem do tekutého stavu, prochází kondenzátorem, kde předává teplo k vytápění a ohřevu vody, což vede k jejímu ochlazení.
  3. Po průchodu expanzním ventilem tohoto TČ podstatně klesne tlak v modré větvi okruhu. A s tím i teplota ve smyslu stavové rovnice pV = RT; při konstantní plynové konstantě R a objemu V se ve stejném poměru, s jakým se snížil tlak p, musela snížit i zdejší termodynamická teplota T.
  4. Pokles teploty je v nízkotlaké větvi takový, že i studený lednový vzduch nabije oběžnou kapalinu svým teplem a promění ji ve výparníku v plyn.
  5. Tímto teplem nabitý plyn se pak v kompresoru stlačí (opět ve smyslu řečené stavové rovnice) do kapalného skupenství o teplotě, která je vhodná k vytápění interiéru a ohřevu vody.
Foto: Virrage Images, Shutterstock

Tepelné čerpadlo lze označit za „obrácený“ tepelný stroj. Elektromotor na něm koná práci (roztáčí kompresor), který spolu s expanzním ventilem udržuje vysokotlakou větev horkou (kondenzátor) a nízkotlakou větev teplosměnného okruhu ledovou (výparník). Tento okruh umožňuje čerpat teplo i od velmi chladného venkovního vzduchu ve výparníku a ohřívat jím vysokotlakou větev (kondenzátor), a vyrábět tak teplo a teplou vodu pro dům za zlomek ekvivalentu v podobě přímého ohřevu elektřinou nebo plynem.

Účinnost tepelného stroje a čerpadla

Každý tepelný stroj má svou fyzikálně limitní energetickou účinnost η, zatímco tepelné čerpadlo, případně chladicí jednotka (klimatizace) svůj faktor COP (Coeficient Of Performance), resp. faktor EER (Energy Efficiency Ratio). Pro tyto veličiny platí:

kde teplota TC je termodynamická teplota chladiče, teplota TH termodynamická teplota ohřívače. Přesněji řečeno, TC je teplota nejchladnějšího média v systému: u tepelných čerpadel vzduch-voda to v zimě bývá venkovní vzduch, který může klesnout i pod –20 °C = 253 K. V létě to může být naopak chladná voda pro účely klimatizace, např. na úrovni 15 °C = 288 K.

Poznámka: Velká proměnlivost venkovní teploty vzduchu v průběhu roku od cca –20 °C až po +35 °C stanovuje jako teplotně nejstabilnější zdroj tepla pro tepelné čerpadlo vodní nádrže, řeky a zejména půdu v hloubce pod zemským povrchem. Nevýhodou čerpání tepla z vody a půdy je však komplikované a pro drobného investora nepřátelské správní řízení...

Příklady

a) Pracuje-li tepelný stroj při teplotě chladiče t1 = −20 °C (T1 = 273,15−20 = 253,15 K) a ohřívače +25 °C (T2 = 273,15+25 = 298,15 K), je jeho nejvyšší možná energetická účinnost η = 0,151 (-).

b) Pracuje-li tepelné čerpadlo na stejném teplotním spádu, je jeho COP (EER) na úrovni 6,63.

Sezónní SCOP a SEER

Zatímco COP a EER jsou okamžité veličiny, které se vztahují jen k daným venkovním a vnitřním teplotním podmínkám, SCOP a SEER jsou hodnoty COP, resp. EER zprůměrované za celou sezónu, která zahrnuje vytápění a případně i chlazení.

Testování tepelných čerpadel

Pro sestavení celoročního SCOP využívají výrobci tepelných čerpadel teplot v Tab. 1 pro tři různá klimatická pásma. Ze zde uvedených venkovních teplot namodelují celou topnou sezónu pro dané pásmo (chladné, mírné a teplé klima) a jemu odpovídající sezónní SCOP pro dané zařízení.

Tab. 1: Venkovní teploty pro testování SCOP tepelných čerpadel v jednotlivých klimatických podmínkách.

Podobným způsobem lze definovat i hodnotu SEER, výrobci se v tomto „úsilí“ ale nepředhánějí. Důvod je prostý. Celá oficiální Evropa řeší jen zimní spotřebu tepla a zcela přehlíží letní energetiku budov. A tak hlavním zájemcem o plánování a evidenci letní spotřeby energie na klimatizaci je soukromý sektor, který hledá cestu k úspoře energie za letní chlazení..

Foto: caifas, Shutterstock

Chlazení a vytápění z pohledu státu

Co se týče letního chlazení, ČR ho přehlíží až okázale. Průměrná celodenní venkovní teplota málokdy a málokde překračuje 27 °C; například tzv. referenční rok pro Hradec Králové uvádí jen jeden takový den, totiž 20. červen. A dá rozum, že kvůli jednomu dni opravdu nemá smysl systémově řešit chladicí opatření. Pro účely navrhování staveb a zejména jejich vytápění je úředně definováno tzv. topné období takto:

Topné období v ČR začíná 1. září a končí 31. května následujícího roku. Nicméně dodávka tepla je zahajována v otopném období až tehdy, když průměrná denní teplota venkovního vzduchu v dané lokalitě poklesne pod +13 ºC ve dvou dnech po sobě a přitom nelze očekávat zvýšení této teploty nad +13 ºC pro následující den. Průměrnou denní teplotou venkovního vzduchu se přitom myslí čtvrtina součtu venkovních teplot měřených ve stínu s vyloučením vlivu sálání okolních ploch v 7.00, 14.00 a ve 21.00 hodin, přičemž teplota měřená ve 21.00 hodin se počítá dvakrát.

Vytápění dotčených nemovitostí se v otopném období dále omezí nebo přeruší, jestliže průměrná denní teplota venkovního vzduchu v příslušném místě nebo lokalitě vystoupí nad +13 ºC ve dvou dnech po sobě následujících a podle vývoje počasí nelze čekat její pokles pro následující den. Jakmile průměrná denní teplota klesne pod 13 ºC, vytápění se obnoví.

Doplňme, že určení topného faktoru se řídí normou EN 14 825. Norma počítá průměrný roční výkon tepelného čerpadla ve 3 různých klimatických podmínkách (chladnější podnebí, mírné podnebí, středomořské podnebí), kdy kalkulovaný počet hodin topné sezóny činí:

  • pro chladné podnebí: 6 446 hodin,
  • pro mírné podnebí: 4 910 hodin,
  • pro teplé (středomořské) podnebí: 3 590 hodin.

Zákazník může na základě této normy vybrat takové zařízení, které nejlépe odpovídá klimatickým podmínkám v oblasti jeho umístění.

Foto: klikkipetra, Shutterstock

Moderní klimatizační jednotky

I když oficiální energetika budov zná jen zimu a ignoruje řídicí sluneční sálavé děje, mnoho stavitelů a uživatelů budov se zajímá i o letní energetiku a někdy hlavně o ni. Odpovědí, kterou nalézají, je klimatizační jednotka.

Dodejme, že klimatizační jednotky ve skutečnosti řeší státem a částí inženýrského stavu ignorovanou okrajovou podmínku, kdy letní slunce rozpálí střechy a fasády domů vysoko nad teplotu venkovního vzduchu; na tmavých fasádách to může být až k 80°C, na střechách i víc. To představuje pro dům obrovský impakt tepla ve srovnání s účinky pouhé teploty vzduchu (např. v Hradci Králové je nejvyšší celodenní průměrná teplota vzduchu v rámci klimatického roku jen 27 °C). Investor by měl vždy vyhledat kvalitního projektanta a architekta, kteří dům připraví i na letní sluneční zářivý impakt.

Klimatizační jednotkou myslíme „dvoucestné“ tepelné čerpadlo, které v létě chladí, v zimě vytápí a které celoročně ohřívá teplou vodu k mytí a koupání. Díky ustálenému teplotnímu režimu (s minimálním rozdílem mezi denní a noční teplotou) pomáhá toto zařízení i při snižování vlhkosti vzduchu, čímž celoročně brání vzniku plísní. Výsledkem je celoročně optimalizovaná vnitřní teplota bez letních i zimních teplotních extrémů.

Závěr

Okamžitý topný faktor COP tepelného čerpadla, respektive okamžitý chladicí faktor EER klimatizační jednotky nejsou konstantní čísla. To platí hlavně pro zařízení, která čerpají teplo ze vzduchu: s rostoucími zimními mrazy nebo letními horky klesá i topný faktor COP, resp. EET, takže udržet příjemnou teplotu v interiéru je při extrémních zimních mrazech a letních vedrech náročnější.

Instalací kombinované jednotky, která v zimě pracuje jako tepelné čerpadlo a v létě jako klimatizace, dosáhneme pozoruhodného výsledku: získáme celoročně stabilní vnitřní teplotu s mírným rozptylem mezi 21 °C v zimě a 27 °C v létě. A za tuto službu zaplatíme celoročně mnohem méně, než při vytápění např. plynovým kotlem. Zároveň se zbavíme nepříjemného letního přehřívání.

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Viz popisky