AKO VYPOČÍTAŤ COP, EER, SCOP A SEER PRE MULTISPLIT - časť 3.
Diskusia k výsledným SPF a SCOP
Počet hodín podľa vonkajších teplôt pre Bratislavu je nižší ako podľa normy STN EN 14825 a podľa Nariadenia 811/2013/EÚ Tým sa pre Bratislavu zodpovedajúco zníži aj SCOP až do 10 %.
Podobne pri výpočte SPF pre rôzne klimatické oblasti na Slovensku podľa Normy STN EN 15316 4-2 sa SPF budú líšiť vzhľadom na rozdielne počty hodín a ich rozloženie vo zvolených zásobníkoch. V rámci Slovenska pre hodnotené lokality Bratislava, Sliač a Kamenica nad Cirochou to môže byť až do 8 %.
SCOP a SPF je potrebné rozlišovať vzhľadom nielen na spôsob určenia zásobníkov hodín v teplotných intervaloch, ale tiež vzhľadom na zohľadnenie alebo nezohľadnenie prídavných príkonov, prídavného ohrevu pri vykurovaní, ohrevu teplej vody, tepelné straty zásobníkov teplej vody a podobne.
Faktografické a analytické merania
Sú zamerané na zistenie energetických vstupov a výstupov do TČ, ktoré sa z pohľadu týchto meraní javí ako „čierna skrinka“, ale aj na hľadanie súvislostí otvorením „čiernej skrinky“ a meraním hodnôt, charakteristických pre meniace sa vonkajšie podmienky. Definované podmienky podľa normy STN EN 14511 musia zabezpečiť autorizované skúšobne, aby sa zistené COP a EER mohli použiť pre výpočty SCOP, SEER a SPF.
Aký je rozdiel medzi COP a EER – SCOP a SEER
Vzťah noriem STN EN 14511 a 14825 do výkonu TČ 70 kW
Chladiace okruhy väčšinu času pracujú pri čiastočnom zaťažení a tak sú silne predimenzované. Ich účinnosť môže potencionálne rásť s približujúcou sa vyparovacou a kondenzačnou teplotou. Využitie tohto potenciálu zlepšenia účinnosti pri čiastočnom zaťažení však závisí od schopnosti chladiaceho okruhu pracovať efektívne aj pri čiastočnom zaťažení. Sezónne chladiace a vykurovacie súčinitele lepšie vystihujú skutočnú prevádzku počas roka ako nominálne súčinitele.
Hodnotenie tepelných čerpadiel sa dá realizovať rôznymi spôsobmi, ktoré sa od seba odlišujú viacerými parametrami, ktoré sa zohľadňujú alebo nezohľadňujú vo výpočte. Sú to meniaca sa teplota zdroja tepla a teplota vykurovania, teplej vody, ďalej prídavné príkony zariadenia, prídavný ohrev, ohrev teplej vody, tepelné straty zásobníkov a podobne.
- COP sú vypočítané hodnoty z nameraných. Postupy pri metodike výpočtov SCOP a SPF podľa noriem s využitím hodnôt COP sú spracované na vývojových diagramoch a je ich možné porovnať. Rozdiely sú vo vstupných údajoch:
- Pri výpočte SCOP sú normou zadané vonkajšie teploty s normatívnym počtom hodín pre tri klimatické oblasti,
- Pri výpočte SPF musíme zadať počty hodín pre vonkajšie teploty v oblasti kde sa TČ inštaluje.
Výpočet SPF počíta aj s ohrevom teplej vody, veľkosťou a tepelnými stratami zásobníka, ktorý pri výpočte SCOP sa neberie do úvahy. Vo výpočte SCOP počítame hodnoty príkonu, potreby tepla pre každú teplotu samostatne, každá teplota má vlastný zásobník počtu hodín, COP je dopočítane lineárne z COP v testovacích bodov. Pri výpočte SPF sú zásobníky počtu hodín tvorené ako teplotné intervaly, ktorých stredy sú testovacie body a príkony a potreby tepla a príprava teplej vody sú počítané pre každý zásobník.
Rozdiely medzi COP, SCOP a SPF
V nasledujúcej tabuľke sú porovnané COP, SCOP a SPF rozdiely ohľadne použitých vonkajších teplôt, prípravy teplej vody, tepelných stráta prídavnej energie.
Na rozdiel od dosiaľ používaného spôsobu výpočtu EER a COP, ktorý zohľadňuje energetickú efektívnosť len pri plnom zaťažení, nový spôsob výpočtu SEER a SCOP podľa nariadenia č. 811/2013/ES a normy STN EN 14825 sa blíži viacej ku skutočným prevádzkovým podmienkam, pretože zohľadňuje zmeny v energetickej efektívnosti v dôsledku meniacej sa teploty vonkajšieho vzduchu počas celej sezóny. Navyše, zahŕňa spotrebu prídavnej energie, ktorá sa tak zviditeľnila.
Na obrázku je zobrazený typický počet hodín vykurovania (hnedá čiara) v závislosti od vonkajšej teploty. Vykurovací výkon monovalentného tepelného čerpadla (modrá prerušovaná čiara) zodpovedá výkonu v bode návrhu pri výpočtovej teplote –10 °C. Vykurovací výkon bivalentného tepelného čerpadla (modrá plná čiara) v bode návrhu sa rovná súčtu prídavného kúrenia a vykurovacieho výkonu tepelného čerpadla.
Najnižší regulovaný výkon na obrázku je zobrazený spodnou modrou čiarou. Potreba výkonu na kúrenie (zelená čiara) rastie pri klesajúcich teplotách vonkajšieho vzduchu. Plocha naľavo od bivalentného bodu (šrafovaná červenou) predstavuje teplo dodané záložným ohrevom a plocha napravo medzi zelenou a modrou čiarou značí oblasť cyklovania kompresora, ktorá sa zmenšuje reguláciou jeho výkonu.
Nominálna a sezónna účinnosť
Sezónne účinnosti lepšie vystihujú skutočnú prevádzku počas roka a umožňujú vyvíjať tlak na výrobcov, aby sa zlepšovali pomocou opatrení, ktoré sa pri hodnotení výlučne nominálnej účinnosti pri plnom zaťažení neprejavili, pri celkovom hodnotení však majú podstatný vplyv na konečnú spotrebu energie. Zlepšenie energetickej efektívnosti pri čiastočnom zaťažení je možné výberom počtu kompresorov, vhodného kompresora, s regulovaným výkonom, znižovaním podielu času cyklovania kompresora, reguláciou výparnej kondenzačnej teploty, znižovaním podielu spotreby energie, respektíve úplným vypnutím zariadenia pri odstavení kompresora (najmä pri ohreve oleja), ďalej zlepšením výmenníka tepla napríklad zmenou priemeru rúrok, mikrokanálmi, rýchlosti prúdenia vzduchu s ventilátormi s EC motormi a pod.
- Nominálna účinnosť pri plnom zaťažení udáva, ako účinne tepelné čerpadlo využíva dodanú energiu pri nominálnych (normalizovaných) podmienkach.
- Sezónna účinnosť udáva, ako účinne tepelné čerpadlo využíva dodanú energiu počas celej chladiacej či vykurovacej sezóny.
Normalizovaný výpočet SCOP sa u priemyselných tepelných čerpadiel s výkonom nad 70 kW sa podľa právnych noriem nerobí. Pre takýto výpočet nemusia byť k dispozícii chladiace a vykurovacie súčinitele namerané podľa STN EN 14511.
Výpočet pre priemyselné čerpadlá sa môže urobiť podľa normy STN EN 15316 4-2 alebo inými metodikami (ESEER) zohľadňujúcimi meniace sa teploty zdroja a spotreby.
Metodika výpočtu SCOP podľa STN EN 14825
K výpočtu sú potrebné počty hodín vyskytujúcich sa pri vonkajších teplotách v danej klimatickej oblasti, ktoré rozlišujeme:
- normatívne podľa napríklad normy STN EN 14825 alebo
- skutočné pre danú oblasť na Slovensku namerané SHMÚ.
Požadovaný tepelný výkon pre dom pri rôznych vonkajších teplotách je vypočítaný projektantom pri výpočtovej, návrhovej vonkajšej teplote napríklad -10°C. Závislosť potrebného tepelného výkonu pre daný dom od vonkajšej teploty je lineárna podľa nasledujúceho obrázku.
Diagram, kde na osi x sú hodiny početnosti výskytu teplôt a na osi y požadovaný tepelný výkon tepelného čerpadla, zostrojíme ako závislosť požadovaného tepelného výkonu pre dom a počtu hodín, počas ktorých bude daný výkon potrebný. Plocha pod krivkou určuje množstvo požadovanej tepelnej energie. Červene vyznačená plocha určuje množstvo požadovanej tepelnej energie pod bodom bivalencie - 5 °C.
Určenie pomeru medzi teplom produkovaným z doplnkového zdroja a tepelného čerpadla pre alternatívnu prevádzku pod -5 °C. Obdobne môže byť vytvorený diagram, ktorý určuje počet dní počas roka, kedy vonkajšia teplota je nižšia ako -5°C. Na grafe počas 23 dní v roku vonkajšia teplota klesá pod – 5 °C. Pre týchto 23 dní je potrebné využiť doplnkový zdroj tepla.
Rovnovážny bod, (bod bivalencie) pre TČ vzduch(zem)/voda
Približne platí:
- Výkon TČ odpovedá 60 – 65 % tepelnej straty objektu – ak bod bivalencie +1°C až -1°C.
- Výkon TČ odpovedá 65 – 75 % tepelnej straty objektu – ak bod bivalencie -1°C až -3°C.
- Výkon TČ odpovedá 75 – 95 % tepelnej straty objektu - ak bod bivalencie -3°C až -5°C.
Príklad
Tepelná strata budovy 100 kW.
Tepelne čerpadlo pri bivalentnej teplote 0°C o výkone 60 kW = 60 % z tepelnej straty pri návrhovej teplote -10 °C pokryje pri alternatívnej prevádzke s teplotou bivalencie 0oC podľa obrázkov v priemernej klimatickej oblasti do 70 % z celkového potrebného normatívneho množstva tepla v priemernej klimatickej oblasti. Pri teplote bivalencie -6oC pokryje až 95 % tepla.
Z obrázkov vyplýva, že pri tbiv = 0 °C TČ so 60 % výkonom z tepelnej straty pri návrhovej teplote vyrobí približne 70 % z celkového potrebného normatívneho množstva tepla v priemernej klimatickej oblasti pri alternatívnej prevádzke. Pri tbiv = -6 °C až 95 %.
Doplnkový alebo alternatívny zdroj tepla ovplyvňujú ekonomiku
Dodané množstvo tepla doplnkovým zdrojom TČ za bodom bivalencie závisí od poklesu výkonu TČ pri nízkych teplotách respektíve v prípade alternatívnej prevádzky TČ doplnkový – alternatívny zdroj tepla dodáva 100 % potrebného výkonu.
Ak potrebný výkon TČ za bodom bivalencie narastie napríklad o 30 %, to výrazne ovplyvní investičné náklady najmä TČ zem/voda. Vrty sú drahé a investícia do zemných kolektorov navýšená o 30 % sa môže nepriaznivo odraziť na ekonomickej výhodnosti. Predĺženie celkovej dĺžky vrtov o 30 %, znamená výrazný nárast investičných nákladov, ktoré treba ekonomicko_ekologicky porovnať s alternatívnou prevádzkou za bodom bivalencie.
Príklad výpočtu SCOPon s SCOPnet pre tepelné čerpadlo vzduch/voda
pre podlahové vykurovanie s označeniami podľa STN EN 14825
Návrhová teplota TDesignh -10 °C
Bivalentná teplota TBivalent : -6 °C
Výkon TČ pri Tbivalent (A-6/W33): 9.7 kW
Celkové zaťaženie pri TDesignh (PDesign): 11.46 kW
Deklarovaný výkon TČ pri TDesignh 8.86 kW
Podnebie: Priemerné
Hraničná prevádzková teplota TČ - TOL -15°C
Výkon pri TOL 7.9 kW
Percento čiastočného zaťaženia pre priemerné podnebie % = (Tj-16) / (-10-16) %
*CR = čiastočné zaťaženie delené deklarovaným výkonom TČ výrobcom.
Degradačný koeficient Cc je určený pre každé čiastočné zaťaženie podľa vzťahu:
Silné (bold) písmená v tabuľke sú vstupné hodnoty pre výpočty podľa obrázku nižšie v teplotných zásobníkoch BIN. Tieto hodnoty sú interpolované alebo extrapolované, ako je ukázané v nasledujúcej tabuľke.A
Výpočet SCOP, SCOPon a SCOPnet
Ak je známy tepelný výkon TČ a známa potreba tepla (súčin potrebného tepelného výkonu a počtu hodín pri danej vonkajšej teplote) pre každú vonkajšiu teplotu, potom pri znalosti COP pri štyroch definovaných podmienkach (EN14511) a lineárnom prepočítaní pre ostatné vonkajšie teploty, môže sa vypočítať potrebný príkon ako podiel potreby tepla vyrobeného TČ a COP.
Ak je potrebné použiť doplnkový zdroj tepla (rozdiel tepelného výkonu TČ a potreby tepla), potom sa jeho príkon pripočíta k príkonu TČ.
- SCOPnet je podiel potreby tepla a príkonu TČ bez doplnkového zdroja
- SCOPon je podiel potreby tepla a príkonu TČ vrátane doplnkového zdroja
- SCOP je podiel normatívnej potreby tepelnej energie pre danú klimatickú oblasť a ročne dodanej energie vrátane doplnkovej a prídavnej energie
Príklad normalizovaného výpočtu sezónneho vykurovacieho súčiniteľa (SCOP)
Súčinitele SCOP, SCOPon a SCOPnet sa vypočítajú ako podiel referenčnej ročnej potreby vykurovacieho výkonu a dodanej pohonnej energie v danej klimatickej oblasti:
Norma STN EN 14825 a nariadenie č. 811/2013/EU
Sezónny chladiaci (SEER) a vykurovací súčiniteľ (SCOP) – normalizovaný výpočet.
Tieto súčinitele sa vypočítajú ako podiel referenčnej ročnej potreby chladiaceho a/alebo vykurovacieho výkonu a dodanej energie v danej klimatickej oblasti - podnebí.
Normatívny výpočet SCOP je pre stanovené vonkajšie teploty pre tri oblasti v Európe studenú, miernu a teplú. Hodnotenie prevádzky je nielen pri plnom, ale aj čiastočnom zaťažení. SCOP zahŕňa aj prídavnú energiu – ohrev oleja, termostat. Sezónny vykurovací súčiniteľ sa vypočíta podľa vzťahu:
Kde:
je referenčná ročná potreba tepla v kWh vypočítaná ako súčin celkovej potreby tepla a normatívneho počtu hodín
je sezónny vykurovací súčiniteľ v aktívnom režime
je čas v režime vypnutia termostatu
je elektrický príkon v režime vypnutia termostatu
je čas v stand-by režime
je príkon v stand-by režime
je čas v režime ohrevu kľukovej skrine
je elektrický príkon v režime ohrevu kľukovej skrine
je čas v režime vypnutia
je elektrický príkon v režime vypnutia
SCOP lepšie vystihuje sezónnu prevádzku tepelného čerpadla ako COP a vyvíja tlak na výrobcov, aby optimalizovali prevádzku pri čiastočnom zaťažení, ktorá sa pri hodnotení výlučne nominálnej účinnosti pri plnom zaťažení v hodnotení COP neprejavila.
Pri celkovom hodnotení však má podstatný vplyv na konečnú spotrebu energie. Ide najmä o zlepšenie účinnosti kompresora pri čiastočnom zaťažení, príkony prídavných zariadení podľa normy EN 14825.
Výsledky výpočtov SCOP v programe excel
Výpočet SCOP v programe excel je k dispozícii na stránke www.szchkt.org. Príklad nižšie je uvedený pre vybrané TČ s bodom bivalencie pri -5°C pre 4 klimatické oblasti s výsledkami v tabuľke. Z obrázku ďalej je vidieť, že oblasť cyklovania kompresora je minimalizovaná.
Počet hodín pri nízkych vonkajších teplotách pre Bratislavu je vyšší ako podľa normy STN EN 14825 a podľa Nariadenia 811/2013/EÚ. Tým sa pre Bratislavu zodpovedajúco zníži aj SCOP až do 10 %. Podobne pri výpočte SPF pre rôzne oblasti na Slovensku podľa Normy STN EN 15316 4-2 sa SPF budú líšiť vzhľadom na rozdielne počty hodín a ich rozloženie vo zvolených zásobníkoch. V rámci Slovenska pre hodnotené lokality Bratislava, Sliač a Kamenica nad Cirochou to môže byť až do 8 %.
SCOP a SPF je potrebné rozlišovať vzhľadom nielen na spôsob určenia zásobníkov hodín v teplotných intervaloch, ale tiež vzhľadom na zohľadnenie alebo nezohľadnenie prídavných príkonov, prídavného ohrevu pri vykurovaní, ohrevu teplej vody, tepelné straty zásobníkov TV ap.
Cyklovanie kompresora
Aj kompresor s modulovaným (regulovaným) objemovým výkonom cykluje, pretože otáčky elektrického motora kompresora kompresora sú regulované v rozmedzí 20-100 %.
Na obrázku podľa normy STN EN 15450 je oblasť cyklovania kompresora znázornená červenou kružnicou. V prípade, že kompresor má regulovaný výkom, oblasť cyklovania sa zmenšuje. Vzhľadom však na regulačný rozsah otáčok pri najnižších výkonoch, kompresor cykluje približne do 20 % výkonu (pozri Správy 3/2021).
Predimenzovanie výkonu tepelného čerpadla
Zväčšuje počet hodín cyklovania kompresora pri vyšších vonkajších teplotách. Zvýšený počet hodín cyklovania závisí aj od teplotného pásma. V miernom pásme je to približne 15-17 % z celkového času na vykurovanie pri správnom dimenzovaní.
Viac informácií nájdete v časopise Správy 7/2022