Współczynnik COP i SCOP, czyli co oznacza sprawność pompy ciepła

Sprawność pompy ciepła jest kluczowym wskaźnikiem, który pozwala ocenić, jak efektywnie urządzenie zamienia energię elektryczną na cieplną. Oznacza to, ile ciepła może dostarczyć do wnętrza budynku w stosunku do ilości energii elektrycznej, którą zużywa. Wyższa wartość tego wskaźnika oznacza, że pompa ciepła działa bardziej wydajnie, dostarczając więcej ciepła za tę samą ilość energii. Sprawność ta jest często wyrażana poprzez różne parametry, takie jak COP (Coefficient of Performance) czy SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), które uwzględniają warunki pracy pompy w różnych jednostkach czasu. Rozumienie tych wskaźników jest kluczowe przy wyborze odpowiedniej pompy ciepła, ponieważ od tego będzie zależeć wysokość rachunków za prąd w każdym kolejnym sezonie grzewczym.

Co właściwie oznacza sprawność pompy ciepła?

Najprościej mówiąc, chodzi o proporcję pomiędzy energią oddawaną w postaci ciepła do wnętrza budynku oraz energią elektryczną pobieraną z sieci. Można to również opisać w ten sposób, że sprawność określona właśnie przez współczynnik COP, czyli Coefficient of Performance, informuje nas o tym, ile kWh oddanego ciepła przypada na 1 kWh energii elektrycznej pobranej przez pompę. Pierwszy z nich – COP – informuje o stosunku energii oddawanej do wnętrza budynku w postaci ciepła do energii elektrycznej pobieranej z sieci. Jeżeli np. na każdą pobraną 1 kWh energii elektrycznej przypadają 4 kWh oddanego ciepła, to mówimy, że sprawność wynosi 4 (COP równa się 4). Czasem spotkamy się także z określeniem, że sprawność pompy ciepła wynosi w takiej sytuacji 400%.

COP pompy ciepła określa jej sprawność tylko w ściśle określonych okolicznościach. Jest zatem wartością zależną od warunków, w jakich urządzenie będzie pracować. Im wyższa temperatura dolnego źródła ciepła oraz im niższa temperatura instalacji grzewczej, tym wyższe wartości COP można osiągnąć.

Natomiast SCOP, czyli Seasonal Coefficient of Performance to uśredniona dla całego sezonu grzewczego wartość COP. Dokładniej omówimy ten współczynnik nieco dalej.

Przeliczając to z kolei na pieniądze, COP informuje nas o tym, ile razy tańsze jest ogrzewanie pompą ciepła, w porównaniu z ogrzewaniem bezpośrednio za pomocą prądu, czyli z użyciem grzejników elektrycznych, kotła elektrycznego itp. Mając w domu zwykłe ogrzewanie elektryczne zamiast pompy ciepła, zużywalibyśmy tyle razy więcej prądu, ile wynosi w danych warunkach COP pompy. Czyli mając pompę, która osiąga COP równy 4, płacimy tylko 1/4 tego, co przy ogrzewaniu prądem. Można na sprawę spojrzeć i tak, że przy tym samym COP na poziomie 4 oraz cenie prądu np. 0,88 zł/kWh, my za ciepło płacimy zaledwie około 0,22 zł/kWh (0,88 zł/kWh dzielone przez 4).

Rys. 1. Czym jest COP pompy ciepła?

COP – ile prądu, a ile ciepła?

Pompa ciepła nie jest żadnym magicznym urządzeniem, i jej działanie po prostu nie może być sprzeczne z prawami fizyki. Dlatego należy wyjaśnić, jak to możliwe, że pompa dostarcza wielokrotnie więcej energii w postaci ciepła, niż sama jej pobiera w postaci prądu. W końcu sprawność wynosząca 400% czy 500% rzeczywiście robi bardzo dziwne wrażenie.

Wyjaśnienie jest w gruncie rzeczy banalnie proste. Tak wysoka sprawność pompy ciepła, a w konsekwencji odpowiadające jej wartości współczynników COP i SCOP, bierze się wyłącznie ze sposobu jej wyznaczania. W obliczeniach uwzględnia się bowiem wyłącznie pobraną energię elektryczną, bo tylko za nią płacimy. Ale przecież w rzeczywistości pompa odbiera też ciepło (energię) z otoczenia. W przypadku pompy typu powietrze-woda energia pobierana jest z powietrza zewnętrznego. 

Po prostu, powietrze przetłaczane przez wymiennik pompy, do którego oddaje energię w postaci ciepła (powietrze po przetłoczeniu przez wymiennik w jednostce zewnętrznej jest zimniejsze), w procesie tym ciepło pobierane jest z powietrza, a pozyskana w ten sposób energia trafia do czynnika chłodniczego, który po sprężeniu ma na tyle dużą temperaturę, że może ogrzać wodę w instalacji grzewczej. Oczywiście, im więcej ciepła urządzenie odbierze z powietrza, tym lepiej. 

Wysoka sprawność opisana współczynnikiem COP oznacza korzystną proporcję pomiędzy pobieranym prądem i pozyskiwanym ciepłem z powietrza lub innego źródła dolnego, w przypadku pomp typu grunt-woda albo woda-woda. COP równe 3 oznacza po prostu, że 1 kWh ciepła pochodzi z prądu, 2 kWh zaś z otoczenia (gruntu). Razem daje to 3 kWh ciepła przekazywanego do budynku przez pompę. Sprawność urządzenia wynosi w tym przypadku 300%. Przy COP równym 5 będzie to zaś odpowiednio 1 kWh energii elektrycznej oraz 4 kWh ciepła z otoczenia, czyli sprawność 500% itd.

Od czego zależy wartość współczynnika COP?

Można powiedzieć, że COP pompy ciepła określa jej sprawność, ale zawsze tylko w ściśle określonych warunkach. Sęk w tym, że COP nie jest wartością stałą i zmienia się w bardzo szerokim zakresie, w zależności od warunków, w jakich urządzenie będzie pracować. Przede wszystkim chodzi tu o dwie wartości temperatury – tzw. źródła dolnego oraz źródła górnego.

Źródło dolne to, w przypadku pomp powietrznych, temperatura powietrza zewnętrznego. Natomiast temperatura źródła górnego to temperatura, do jakiej pompa musi podgrzewać wodę w obiegu centralnego ogrzewania, czyli wodę zasilającą grzejniki lub podłogówkę.

Dla działania pompy korzystna jest niewielka różnica pomiędzy temperaturą po stronie źródła dolnego i źródła górnego.

Z tego względu COP każdej pompy typu powietrze-woda będzie rosnąć, gdy na zewnątrz robi się względnie ciepło. Natomiast wyraźnie spadnie w czasie dużych mrozów, gdy temperatura wyniesie np. -15°C. Przy czym „względnie ciepło” to w przypadku pompy ciepła nawet +2°C czy +5°C. W takich warunkach pompa powietrze-woda może pracować nawet lepiej niż pompa gruntowa, osiągając wyższe COP, czyli ostatecznie dostarczając bardzo tanie ciepło. A przecież właśnie takie temperatury panują przez większość sezonu grzewczego.

Niejako na drugim końcu systemu grzewczego z pompą ciepła mamy źródło górne. Z kolei w jego przypadku, im niższa jest temperatura, tym lepiej. Dokładnie ta sama pompa, w domu o identycznych stratach ciepła i przy takiej samej temperaturze zewnętrznej, będzie miała wyższy współczynnik COP przygotowując wodę o niższej temperaturze, np. 35°C, i zasilając ogrzewanie podłogowe, niż podgrzewając wodę do 55°C na potrzeby grzejników.

Płynie stąd zasadniczy wniosek dla każdego, kto chce oceniać pompę ciepła lub porównywać ich różne modele na podstawie współczynnika COP. Takie porównywanie ma sens, jeżeli pomiaru dokonano w tych samych warunkach. Jeżeli dwie pompy badano dla parametrów +2/35°C, czyli +2°C (źródło dolne) oraz 35°C (źródło górne), to wyższy COP jednej z nich świadczy o tym, że w takich konkretnie warunkach pracuje ona lepiej. Ale nie daje nam to pewności, że pompa nadal będzie lepsza, gdy temperaturę wody podniesiemy do 55°C, żeby zasilać grzejniki. Podobnie nie możemy na tej podstawie wnioskować, jak pompa ciepła poradzi sobie, gdy temperatura powietrza zewnętrznego spadnie do -10°C czy -20°C. Zróżnicowanie pod tym względem jest naprawdę bardzo duże, i na podstawie podstawowych danych nie można wyciągać pochopnych wniosków. A trzeba jeszcze pamiętać, że niektóre pompy, takie jak Panasonic Aquarea, są w stanie działać nawet do -28°C.

Co to są wskaźniki SCOP i ηs, i jak są one wyznaczane w kontekście pomp ciepła?

Do określenia sprawności pompy ciepła najczęściej używa się współczynników COP i SCOP. Pierwszy z nich wspomniany wcześniej – COP, informuje o stosunku energii oddawanej do wnętrza budynku w postaci ciepła do energii elektrycznej pobieranej z sieci. Jeżeli na każdą pobraną 1 kWh energii elektrycznej przypadają 4 kWh oddanego ciepła, to mówimy, że COP równa się 4. Czasem spotkamy się także z określeniem, że sprawność pompy ciepła wynosi w takiej sytuacji 400%. COP pompy ciepła określa jej sprawność tylko w ściśle określonych okolicznościach i jest zatem wartością zależną od warunków pracy urządzenia.

Jednak na podstawie pojedynczej wartości COP nie sposób oszacować ani możliwości pompy, ani kosztów ogrzewania domu, dlatego zaczęto szukać innych wskaźników. Najczęściej używa się wspomnianego już SCOP, czyli Seasonal Coefficient of Performance. SCOP to uśredniona dla całego sezonu grzewczego wartość COP i wyznacza się go przyjmując określone założenia na temat tego, jak będzie zmieniać się temperatura zewnętrzna. Najprościej mówiąc, określa się ile godzin w ciągu typowego sezonu grzewczego panuje temperatura -5°C, ile 0°C itd. Równocześnie trzeba też określić, jaka będzie temperatura po stronie źródła górnego, czyli temperatura wody w obiegu c.o.

Dlatego producenci podają SCOP osobno dla temperatury zasilania 35°C, co jest typową wartością dla podłogówki, oraz 55°C, przyjętej w instalacjach z pompami ciepła temperatury zasilania grzejników. Nie są to małe różnice, bo ta sama pompa osiąga SCOP:

• 3,0 – zasilając grzejniki (woda 55°C),
• 5,0 – zasilając podłogówkę (woda 35°C).

Przy cenie prądu 0,88 zł/kWh, w pierwszym przypadku za 1 kWh ciepła zapłacimy 0,30 zł, a w drugim zaledwie 0,18 zł. To wynik, który ciężko pobić stosując paliwa konwencjonalne, więc dobra pompa ciepła będzie bezkonkurencyjna pod względem kosztów ogrzewania.

Jednak trzeba uprzedzić, że współczynnik SCOP też nie jest doskonałym wyznacznikiem możliwości pompy. Wyznaczenie go wymaga przyjęcia, jakie temperatury i przez jak długi czas będą występować w ciągu sezonu grzewczego, co musi być różne w poszczególnych regionach i krajach. Na potrzeby wyznaczania SCOP przyjęto podział Europy na trzy strefy klimatyczne, co może prowadzić do pewnych nieścisłości, szczególnie w przypadku Polski.

Aby jednak dokładnie obliczyć sprawność systemu grzewczego opartego o pompę ciepła pracującego w danej lokalizacji, konieczne może okazać się wyznaczenie wartości współczynnika ηs, czyli sezonowej sprawności energetycznej ogrzewania pomieszczeń. Współczynnik ηs uwzględnia zapotrzebowanie na energię elektryczną, liczbę godzin pracy urządzenia, straty w trybie czuwania i wyłączenia, zużycie energii przez dodatkowe elementy i straty energii elektrycznej na drodze od elektrowni do domu. 

Rys. 2. Czym są energia pierwotna, końcowa i użyteczna?

Zatem, związek między ηs a SCOP można wyrazić zależnością:

SCOP≈η_s×2,5

Posługiwanie się współczynnikiem sezonowej sprawności energetycznej ogrzewania pomieszczeń pozwala zatem na określenie sprawności układu dla warunków bliższych rzeczywistości (wynik uwzględnia wpływ klimatu na pracę urządzenia, straty energii, zużycie prądu przez dodatkowe elementy), co pozwala na realne określenie zużycia energii elektrycznej i rzetelne porównanie pomp ciepła różnych producentów (wszyscy producenci badają pompy w tych samych warunkach, określonych w Rozporządzeniu Komisji UE z dnia 18 lutego 2013 r.). 

Co wpływa na sprawność pompy ciepła?

W związku z różnorodnością czynników wpływających na efektywność pracy pomp ciepła i jej zmienności w ciągu roku, kluczowe jest świadome projektowanie i eksploatowanie tych urządzeń. Ważną rolę w sprawności pomp ciepła odgrywają temperatury dolnego i górnego źródła ciepła. Gdy dolne źródło, takie jak grunt, zachowuje stałą temperaturę przez cały rok - powietrzne pompy ciepła muszą dostosowywać się do ekstremalnych warunków, uwzględniając zarówno mrozy, jak i upały, a także wilgotność powietrza.

Równie istotna jest temperatura górnego źródła, która zależy od typu instalacji (grzejniki, ogrzewanie podłogowe, klimakowektory etc.) w budynku oraz komfortu termicznego jego mieszkańców. W celu zwiększenia sprawności pompy ciepła warto zatem zainwestować w ogrzewanie niskotemperaturowe wykorzystujące możliwe najniższą temperaturę zasilania, szczelną powłokę budynku (potwierdzoną testem szczelności), rekuperację z odzyskiem czy lepszą izolację niż preferują obecne Warunki Techniczne jak powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie . Kluczową rolę odgrywa także odpowiednie zarządzanie instalacją przygotowania ciepłej wody użytkowej, uwzględniając dobór zasobnika o odpowiednio dużej powierzchni wężownicy w stosunku do mocy urządzenia, racjonalne zaplanowanie pracy pomp cyrkulacyjnych oraz dobór pomp obiegowych o wysokich sprawnościach czy stosowanie perlatorów. Wiedza o tych aspektach pozwoli na optymalne wykorzystanie potencjału pompy ciepła i zyskanie możliwie wysokiej sprawności jej pracy w okresie grzewczym.

Potrzebujesz wsparcia lub chcesz znaleźć akredytowanego instalatora - skontaktuj się z nami