Bernd Klein, dipl. ing., Univerza v Stuttgartu, IGE Prüfstelle HLK, Center za testiranje na Inštitutu za energetiko stavb, Pfaffenwaldring 6a, D-70569 Stuttgart, Nemčija, vodja Oddelka za testiranje toplotnih črpalk in prezračevanja.
Določanje stopenj učinkovitosti toplotnih črpalk je v veliki meri standardizirano po vsej Evropi na podlagi standarda EN 14511. Ta določa standardizirane pogoje za testiranje električnih toplotnih črpalk in določanje njihovega koeficienta učinkovitosti (COP) z uporabo testne naprave. To vključuje uporabo merilnih točk stabilnem stanju in navidezno stabilnem stanju, ki predstavljajo osnovo za primerjavo posameznih naprav, kot tudi za dimenzioniranje in oblikovanje celotnih sistemov. EN 14511 je bil revidiran leta 2011 in že nekaj let nadomešča EN 255-1+2.
Okoljski viri toplote, ki jih je mogoče izkoriščati, vključujejo zunanji zrak, odpadni zrak, podtalnico ali površinsko vodo in geotermalno toploto (slanica). Stran vira toplote je v standardu opisana kot zunanji toplotni izmenjevalnik, ki ustreza uparjalniku v hladilnem krogu v ogrevalnem primeru. Prenos uporabne energije je lahko preko zraka ali vode. Stran uporabne toplote je opisana kot notranji toplotni izmenjevalnik. V ogrevalnem primeru to ustreza kondenzatorju.
Standard določa tako imenovane nominalne standardne in nominalne delovne pogoje za vsako kategorijo naprav. Naprava, ki uporablja slanico kot vir toplote in vodo kot prenos toplote, se na primer imenuje toplotna črpalka slanica/voda. V primeru toplotnih črpalk slanica/voda so nominalni standardni pogoji pri nizki temperaturi za slanico pri 0°C (B0, B = slanica) in temperaturi ogrevalne vode 35°C (W35, W = voda). Ta mejni pogoj je skrajšan na B0W35.
Če je prenos toplote preko vode, temperatura ogrevalnega kroga vpliva na učinkovitost celotnega sistema za proizvodnjo toplote. Nižja kot je ta temperaturna raven, višja je učinkovitost toplotne črpalke. EN 14511 določa štiri temperaturne ravni, pri katerih se lahko naprave testirajo. Te se razločujejo glede na njihove izhodne temperature in so definirane kot sledi: nizka temperatura (35°C, W35), srednja temperatura (45°C, W45), visoka temperatura (55°C, W55) in zelo visoka temperatura (65°C, W65). Učinkovitost toplotne črpalke pa je odvisna od srednje kondenzacijske temperature. Zato mora biti določena tudi vhodna temperatura, ki je odvisna od masnega pretoka vode. Te so določene na nominalni standardni točki, kjer je masni pretok nastavljen tako, da proizvede 5 K temperaturno razliko na ogrevalni strani.
Če je prenos toplote preko zraka, se uporablja enotna vhodna temperatura zraka 20°C (A20, A = zrak) v kondenzatorju. Izhod zraka ureja volumenski pretok, ki je določen z notranjim ventilatorjem.
Pomemben vpliv na učinkovitost toplotnih črpalk ima tudi temperatura vira toplote. Višja kot je ta temperaturna raven, višja je učinkovitost toplotne črpalke. V tem primeru standard ponuja različne temperaturne ravni, kategorizirane glede na vhodno temperaturo na uparjalniku. Sezonske spremembe se zmanjšujejo z uporabo podzemne ali vodne toplote. Za slanico so določene tri temperaturne kategorije: -5°C (B-5), 0°C (B0) in +5°C (B5). Za vodo kot vir toplote sta določeni dve kategoriji: 10°C (W10) in 15°C (W15). Največji temperaturni razpon je na voljo pri uporabi zunanjega zraka kot vira toplote, kjer so določene naslednje temperature vira: 12°C (A12), 7°C (A7), 2°C (A2), -7°C (A-7) in -15°C (A-15). Če je vir toplote izpušni zrak, se uporablja standardizirana temperatura 20°C (A20).
Načeloma, nižja kot je razlika v temperaturah med virom toplote in izhodno stranjo, višji je COP naprave. Torej je COP toplotne črpalke zrak/voda pri A7W35 veliko višji kot pri A-7W55 in paziti je treba, da se ocene COP primerjajo pod enakimi mejami!
Uparjalniki na toplotnih črpalkah, ki uporabljajo zrak kot vir toplote, lahko zamrznejo pri nizkih temperaturah vira, odvisno od vlažnosti zraka. Te naprave zato morajo zagotavljati periodične cikle odmrzovanja, da se osvobodijo ledu. Ti običajno delujejo z obratom normalnega procesa, začasnim dovajanjem toplote za odmrzovanje iz ogrevalnega kroga. Energija, potrebna za ta proces, je upoštevana pri določanju COP in povzroči zmanjšano oceno. Med testiranjem po standardu naprava deluje v štiriurnem obdobju, odvisno od števila izvedenih ciklov odmrzovanja, pa se COP izračuna preko enega ali več ciklov. Ker sta nabiranje ledu in število ciklov odmrzovanja močno odvisna od vlažnosti zraka, je ta parameter določen za vsako temperaturno raven. Običajno pride do zmrzovanja pri testnih točkah pod A7 in naprave običajno lahko delujejo brez ledu nad A7. Zmanjšanje ocene COP skozi cikle odmrzovanja je v razponu od 0,3 do 1,0, odvisno od učinkovitosti algoritma odmrzovanja.
Drug vidik, ki ga je treba upoštevati pri določanju COP, je poraba energije črpalk za kroženje in ventilatorjev. Nekatere naprave imajo hidravlične črpalke za kroženje, integrirane v svojo zasnovo, medtem ko so druge dostavljene brez črpalke. Če bi to prezrli, bi bile naprave z vgrajenimi črpalkami v slabšem položaju zaradi večje porabe električne energije. Da bi to omogočili, standard vključuje korekcijo za črpalko. Osnova za to je predpostavka, da se napravi pripiše le kapaciteta, potrebna za premagovanje notranje tlačne izgube naprave. Korekcija temelji na meritvi hidravlične kapacitete in njeni pretvorbi s pomočjo virtualnega faktorja učinkovitosti črpalke ali ventilatorja v ekvivalentno električno moč. Ta se nato doda ali odšteje od vrednosti porabe električne energije. Korekcija za črpalke in ventilatorje vpliva na COP do 0,3.
Poleg EN 14511 se lahko pri testiranju toplotnih črpalk uporabijo tudi drugi standardi. EN 12102 na primer določa pogoje za meritve zvoka in opisuje ustrezne geometrijske mejne pogoje, ki dopolnjujejo delovne točke, določene v EN 14511.
EN 15879 opisuje mejne pogoje za testiranje toplotnih črpalk z neposrednim izhlapevanjem. Hladilno sredstvo izhlapeva neposredno v cevi, zakopani pod zemljo. Med testiranjem ta cev izhlapevalnika leži v rezervoarju s slanico pri določenih temperaturah.
EN 14825 opisuje določanje sezonskega koeficienta učinkovitosti (SCOP) za toplotne črpalke slanica/voda, voda/voda, zrak/voda in zrak/zrak. Na podlagi linearnega razmerja med ogrevalno obremenitvijo, temperaturo dobave in zunanjo temperaturo standard določa odstotke obremenitev in temperature dobave za različne zunanje temperature. Za določanje SCOP standard, poleg izbire temperaturne ravni, ponuja izbiro treh podnebnih con: hladno (c, Tdesign = -22°C), srednje (m, Tdesign = -10°C) in toplo (m, Tdesign = 2°C). Poleg tega mora biti določena bivalentna točka, do katere mora toplotna črpalka pokrivati ogrevalno obremenitev brez pomoči.
Glede na izbrano podnebno območje in bivalentno točko se določi sezonska poraba energije in SCOP. Bivalentna točka in največja toplotna moč, ki jo lahko proizvede toplotna črpalka pri tej zunanji temperaturi, sta določeni na podlagi podnebnega območja in nazivnega toplotnega bremena. SCOP je povprečen koeficient učinkovitosti za celotno ogrevalno sezono in upošteva delovanje toplotne črpalke pri različnih obremenitvah in zunanjih temperaturah.
EN 14825 se razlikuje od EN 14511, ki določa COP pri določenih mejnih pogojih, saj upošteva sezonsko učinkovitost naprav. Sezonski koeficient učinkovitosti (SCOP) omogoča oceno letne porabe energije za ogrevanje in hlajenje na podlagi obratovalnih razmer, ki so blizu dejanskim razmeram na terenu. Tako se sezonska učinkovitost meri pri večih točkah, ki odražajo različne obremenitve in zunanje temperature, kar omogoča bolj realno oceno dejanske učinkovitosti toplotnih črpalk v praksi.
Standard EN 14511 in njegovi dodatki, kot je EN 14825, predstavljajo temeljne smernice za določanje učinkovitosti toplotnih črpalk. Standardizacija omogoča primerjavo različnih naprav pod enakimi pogoji in zagotavlja enotne kriterije za testiranje in ocenjevanje učinkovitosti. Upoštevanje teh standardov je ključnega pomena za načrtovanje in izbiro toplotnih črpalk, saj omogoča natančno oceno njihove učinkovitosti in prispeva k optimalnemu delovanju ogrevalnih sistemov.