SPF faktor sustava dizalica topline

Dario Hrastović, dipl. ing. stroj. Hrastović inženjering d.o.o., Đakovo, K.P.Svačića 37.a, 31400 Đakovo, 099-221-6503

dario.hrastovic@gmail.com, www.hrastovic-inzenjering.hr Sažetak: Faktor sustava dizalice topline obuhvaća odnos dobivene toplinske energije i uložene električne energije. Analiza vrijednosti SPF-a se može provoditi na nekoliko razina od energije uložene na samoj dizalici topline, proširenja na dodatne grijače sustava, pomoćne ureñaje, pumpe i ventilatore same dizalice topline pa sve do ukupne energetske analize cijelog sustava. Donja granica koja se dopušta za SPF je 2,63 dok se vrijednost odnosi na dizalicu topline i pomoćne ureñaje koji tvore toplinski ureñaj. Loše dimenzionirani sustavi će imati veliku potrošnju električne energije te dizalica topline više neće biti obnovljivi izvor energije ako SPF padne ispod 2,63. Klju čne riječi: dizalice topline, električna energija, SPF, faktor sustava 1. UVOD Često se zanemaruje značaj godišnjeg faktora sustava dizalica topline jer bi on prikazao realno energetsko stanje koje se može postići, a posljedica takvog pristupa su nezadovoljni korisnici koji su zbunjeni kada dobiju visoke račune električne energije. Poznato je dosta primjera kada su instalirane zračne dizalice topline te nije postignut očekivani učinak prvenstveno zbog izbjegavanja analize godišnjeg faktora sustava te kako će djelovati svaki instalirani element. Posljednjih godina veliki broj radova se oslanja na razne analize primjene dizalica topline jer su one označene kao spasonosno rješenje da se smanji ukupna emisija CO2 u sektoru grijanja i hlañenja grañevina.Očekuje se ukupno smanjenje emisije do 8% [1] primjenom jednog od oblika dizalica topline. Od 2003. godine rast prodaje dizalica topline je na razini oko 30% [1] te je došlo do odreñene stagnacije tijekom gospodarske krize, ali broj instalirnih dizalica topline se neprestano povećava.Veliki je broj instaliranih sustava, a kod analize jednakih dizalica u različitim sustavima došlo se do podatka da se dosta razlikuju vrijednosti SPF-a od 2,0 pa do 5,50 za isti ureñaj. Kada se promatra samo SPF na razini dizalice topline onda ta vrijednost prelazi u COP odnosno u faktor dizalice. Proizvoñači opreme često daju samo podatke za COP dok se velike razlike u SPF-u dobivaju jer on prvenstveno ovisi o navikama korisnika, temperaturnim režimima grijanja i hlañenja, temperaturi sanitarne vode, lokalnoj klimi u kojoj se nalazi grañevina i sl. Vrlo je velik broj faktora koji djeluju na ukupni godišnji faktor sustava pa se tek procjenom može unaprijed pretpostaviti koliko bi SPF mogao iznositi u primjeni.

2. TERENSKA ISPITIVANJA Do kvalitetnih podataka se može doći samo mjerenjem stvarnih sustava te se iz ispitivanja tog oblika mogu dobiti smjernice kako treba pravilno dimenzionirati sustave dizalica topline. Terenska ispitivanja postaju sve više standard da se dobiju konkretni podatci, ali osnovni problem je često različit pristup u kategorizaciji energetske granice sustava. Na krajnji iznos SPF-a utječe niz faktora:

a) učinkovitost dizalice topline b) kvaliteta instalacije c) kako je projektiran sustava i temperaturni režimi d) toplinska ovojnica grañevine e) klimatski uvjeti gdje je instalirana dizalica topline

Europski standard EN 14511 se odnosi na definiranje modela proračuna COP-a i unutar standarda se fokus stavlja samo na sam ureñaj i energetska granica je postavljena oko dizalice topline te standard nije dobro obrañen jer u analizi ispušta lokalne potrošače energije pumpe, ventilatore, regulaciju. Standard se odnosi na laboratorijsko ispitivanje karakteristike dizalice topline COP (grijanje) i EER (hlañenje), dok SPF modeli ulaze u mjerenje ponašanja stvarnih sustava koje standard ne obrañuje. SEPEMO projekt imao je za cilj definiranje energetske granice te standardizaciju modela mjerenja te odreñivanje potrebne mjerne opreme u sustavima grijanja i hlañenja pomoću dizalica topline.Cilj projekta je bio poboljšanje saznanja kako sustav funkcionira te kako pojedine komponente utječu na SPF odnosno godišnji faktor dizalice topline. Standardizacija postupka odreñivanja SPF-a imati će za posljedicu lakšu usporedivost različitih terenskih ispitivanja. Sve je više primjera izvedenih terenskih ispitivanja te je sve više dostupnih podataka terenskih ispitivanja i sva ispitivanja pokazuju da dizalice topline imaju učinkovitost u velikom rasponu.

Slika 1.: Usporedba terenskih ispitivanja provedenih u Europskoj Uniji [4] Energy Saving Trust, Velika Britanija Fraunhofer Institut ISE, Njemačka Ministarstvo energije, Švicarska

Slika 2.: Usporedba terenskih ispitivanja provedenih u Europskoj Uniji [4] Glavna razlika u rezultatima je posljedica različite upotrebe tople sanitarne vode, klimatskim razlikama izmeñu država te toplinskoj ovojnici grañevine. Kada se usporede svi rezultati pokazuje se da su najlošiji rezultati dobiveni u Velikoj Britaniji gdje su ponegdje instalirane zračne dizalice u postojeće grañevine bez izolacije te je ureñaj spojen na postojeće visoko temperaturne radijatore. Krajnji rezultat ovakve kombinacije je izrazito porazan sa SPF-om od 1,2 što je identično električnom grijanju. Potrebno je obratiti pozornost kod primjene odreñenog tipa dizalice topline i kombinaciji s postojećim instalacijama.

Slika 3.: Usporedba SPF zračnih dizalica dobivenih ispitivanjem u Europskoj Uniji [4]

Slika 4.: Usporedba SPF geotermalnih dizalica dobivenih ispitivanjem u Europskoj Uniji [4]

Preporuke za dobivanje visokog faktora sustava SPF: - ne upotrebljavati električni grijač - pravilno programirana automatska regulacija - pravilno dimenzionirano zemno kolektorsko polje - pravilna primjena zračne, GT, bunarske ili vodene DT - primjena samo za niskotemperaturne plošne režime - ne pregrijavati sanitarnu voda preko 40-45°C - izolacija grañevine na razini niskoenergetske ili pasivne 3. ENERGETSKA GRANICA

Granica sustava se definira na nekoliko načina te svaki pristup daje različitu vrijednost SPF-a te se iz razlike vrijednosti lako može odrediti na kojem mjestu sustava dolazi do najvećih opadanja SPF-a. U proračunu se u odreñenim razinama uzimaju u obzir električne potrebe pumpi, ventilatora, regulacije, mješajućih ventila, električnih grijača i sl. te kako pojedine komponente djeluju na krajnji rezultat.

Slika 5.: Definiranje granice sustava za proračun SPF-a [1]

Granica sustava se kreće od same dizalice topline pa sve do ukupne analize sustava te je nešto izmjenjen pristup od klasične analize preko COP koji se svodi na razinu samog ureñaja dizalice topline. Analiza se može znatno zakomplicirati kada se uvedu dodatni izvori topline npr. kotao na pelete, kondenzacijski plinski kotao te solarni koektori koji svi imaju dodatne pomoćne električne ureñaje.

SPFH1 ili COP – analizom se obrañuje samo dizalica topline i uključen je u analizu

njezin kompresorski krug radnog medija, a vrijednost je istovjetna klasičnoj oznaci COP ili faktoru dizalice topline

hpHW

hpWhpHH E

QQSPH

_

__1

+= (1)

QH_hp toplinska energija grijanja prostora QW_hp toplinska energija grijanja sanitarne vode EHW_hp električna energija grijanja sanitarne vode i prostora

Slika 6.: Analiza SPFH1 na razini dizalice topline grijanje [1]

SPFH2 ili RES – analizom se obrañuje dizalica topline te pomoćni ureñaji koji ju

odreñuju pumpe i ventilatori, a vrijednost je istovjetna propisanoj vrijednosti prema direktivi RES. Analiza obuhvaća ventilator zračnih dizalica topline, te cirkulacijske pumpe glikola kod geotermalnih dizalica topline odnosno bunarske pumpe kod vodnih dizalica topline. Propisana vrijednost direktivom je SPF=2,63 [1] za sustav odnosno svaka vrijednost manja od te uvjetuje da dizalica topline više nije obnovljivi izvor topline. Pri tome je propisana i minimalna učinkovitost od 43,8% te je pri tome udio upotrebljive energije najmanje 62%. [1]

hpHWpumpfanHW

hpWhpHH EE

QQSPH

_/_

__2 +

+= (2)

63,2438,0

115,1

115,1 =⋅>⋅>

ηSPH (3)

%6263,2

11

11 ⋅=

−⋅=

−⋅= usableusableusableRES QQSPF

QE (4)

EHW_fan/pump električna energija ventilatora ili pumpe glikola

Slika 7.: Granica sustava za SPFH2 u modu rada grijanja [1]

SPFH3 osim same dizalice topline i pomoćnog ventilatora ili pumpe u granicu sustava uključena je i analiza utjecaja dodatnog grijača. Navedena konfiguracija je uključena kao standardna oprema u večini dizalica topline te se SPFH3 koristi za detaljne usporedbe učinkovitosti dizalica topline i konkurentnih energenata: lož ulja, zemnog plina, biomase.

buHWhpHWpumpfanHW

buHWhpWhpHH EEE

QQQSPH

__/_

___3 ++

++= (5)

QHW_bu toplinska energija dodatnog grijača EHW_bu električna energija dodatnog grijača

Slika 8.: Granica sustava za SPFH3 u modu rada grijanja [1]

Slika 9.: Granica sustava za SPFC3 u modu rada hlañenja [3]

SPFH4 uključuje u sebi ukupnu analizu sustava te ukupnu proizvedenu toplinsku energiju koja se dijeli sa ukupnom potrošenom električnom energijom na svim toplinskim ponorima. Toplinski izvori su dizalica topline i pomoćni grijač dok su lokalni potrošači: pumpe, ventilatori, elektromagnetski ventili, regulacija i sl. odnosno sva oprema koja je instalirana u sustavu.

pumpfanBbuHWpumpbthpHWpumpfanS

buHWhpWhpHH EEEEE

QQQSPH

/____/_

___4 ++++

++= (6)

Slika 10.: Granica sustava za SPFH4 u modu rada grijanja [1]

SPFHy je složeni model hibidne analize koja se može provoditi da se analizira energetski potencijal hibridnih sustava koji osim do sada nabrojanih elemenata u sebi sadrži solarne kolektore koji napajaju toplom vodom centralni vodeni buffer. Takoñer sistem može sadržavati i fotonaponske module koji napajaju električne ureñaje. Kada solarni kolektori unose dodatnu toplinsku energiju u sustav njegova učinkovitost znatno raste. Dodatno učinkovitost sustava raste primjenom fotonaponskih modula jer se smanjuje potrebna električna energija za pokretanje svih električnih elemenata. Kod nul energetskih kuća (zero-energy) vrijednost SFP-a može biti izrazito visoka, no još je veća kod plus energetskih kuća. 4. TERENSKO ISPITIVANJE – SEPEMO [1]

Analiza cijelog sustava traži da se definira koje se varijable mjere te s kojom točnošću se mogu usporeñivati rezultati mjerenja različitih sustava dizalica topline. Standardizacija postupka mjerenja je važna da bi se moglo objektivno usporediti rezultate jer iste dizalice topline mogu imati jako različite učinke u velikom broju toplinskih kombinacija u kojima se mogu primjeniti. Takoñer je potrebno standardizirati postupak mjerenja i proračuna da se mogu objektivno usporeñivati različita mjerenja u bilo kojem dijelu svijeta. U osnovi se mjeri energija koja je dobivena za grijanje odnosno hlañenje te se dijeli s električnom energijom koja se unosi u sustav. Prva mjerenja u Europskoj Uniji su provedena 2010. te se pratila promjena SPF-a prema standardiziranom postupku mjerenja. SEPEMO projekt je pratio promjene svih četiri mogućih vrijednosti SPF-a na deset dizalica topline snage do 8 do 12 kW koje imaju izvor topline geotermalnu sondu ili geotermalno kolektorsko polje te je mjerenje na istim objektima prethodno izvršio i Fraunhofer ISE.

Slika 11.: Mjerene točke za dobivanje vrijednosti temperatura i energije [1]

Na slici 12. Prikazan je odnos energije koja je potrošena za grijanje prostora te za

grijanje sanitarne vode te udio energije dodatnog električnog grijača. Rezultati mjerenja će direktno ovisiti o navikama korisnika sustava na koju temperaturu griju prostor u kojem

borave te koliko troše tople sanitarne vode. Odnos topline grijanja i topline za pripremu sanitarne vode je od 6% pa do 25% što je prosjek zabilježen i prije. [1]

Slika 12.: Odnos topline grijanja prostora i grijanja sanitarne vode [1] Slika 13. Odnos električne energije za dizalicu topline te pomoćne ureñaje [1]

Na slici 13. je prikazan odnos udjela električne energije koja pokreće samu dizalicu

topline te električne energije koju potroše pumpe, ventilatori te električni grijač. Udio električne energije za dodatne sustave kreće se od 8% pa do 27% što pokazuje da sustavi nisu uniformni te da krajnji rezultati direktno ovise o strukturi grañevine i navikama korisnika.

Na slici 14. prikazani su ukupni rezultati analize sva četiri faktora sustava SPF te su

očigledne razlike u njihovim iznosima, a razlike proizlaze iz različitog pristupa projektiranju sustava. H2 i H3 su jednaki kada u sustavu ne postoji dodatni električni grijač. H1 i H4 imaju najveće razlike jer se u H4 uključuju svi dodatni električni ureñaji. Što više raste udio sanitarne vode u ukupnoj energiji opada i H1 faktor jer se sanitarna voda grije na višu temperaturu. Iz mjerenja se lako uočava koliki utjecaj na ukupni faktor sustava imaju svi dodatni električni hidraulički elementi pumpe i ventilatori te je krajnji zaključak da treba projektirati sustav koji je što jednostavniji sa što manje elemenata.

Slika 14.: Usporedna analiza vrijednosti sva četiri faktora sustava dizalica topline [1]

5. TERENSKO ISPITIVANJE – ENERGY TRUST [2]

Obzirom da gotovo i ne postoje podatci stvarnih karakteristika cijelog sustava dizalica topline napravljeno je terensko ispitivanje da se dobiju podatci na godišnjoj razini. Ispitivanje je trajalo godinu dana te je nadziran rad 83 instalirana sustava u Velikoj Britaniji, a ukupni rezultat su podatci iz kojih se može dobiti zaključak što sve djeluje na ukupni godišnji faktor učinka sustava SPF. Analizom su obrañene dizalice topline od zračnih do geotermalnih te su usporeñivani novi sustavi i rekonstruirani postojeći sustavi te je zbog tih razloga velika oscilacija u dobivenim ukupnim godišnjim učincima sustava. Mjerenja su obavljena na instalacijama koje su dobile subvencije za instalaciju te je terensko ispitivanje trebalo potvrditi opravdanost investicije i subvencija te dokazati realno smanjivanje emisije CO2. Osnovni elementi koji su promatrani terenskim ispitivanjem su:

- mjerenje faktora ukupne godišnje učinkovitosti sustava SPF (faktor sustava) - vrsta instalirane dizalice topline - analiza projektne dokumentacije - analiza ispravnosti instaliranog sustava - ponašanje i navike korisnika sustava - temperature grijanja grañevine - temperature grijanja sanitarne vode - ekonomska isplativost i opravdanost investicije - energetska učinkovitost grañevine

Od 83 instalirana sustava koji su obrañeni mjerenjem 29 su zračne dizalice topline i 54 su geotermalne dizalice topline, a 14 je različitih proizvoñača opreme. Od svih ispitanih instalacija samo 13% je imalo faktor sustava iznad 3,0. Različite su instalacije u kojima su dizalice korištene:

- sustavi grijanja, - sustavi grijanja i pripreme sanitarne vode, - dizalica topline u kombinaciji s još jednim izvorom topline - sustav s plošnim grijanjem - sustav s radijatorskim grijanjem - složeni sustavi sa kombinacijom solarnog sustava

Slika 15.: Lokacije ispitivanih dizalica topline, temperature na 100m dubine [2]

Slika 16. Faktor sustava SPF ispitivanih zračnih dizalica topline [2] Ispitivane zračne dizalice topline su postigle faktore učinka u prosjeku 2,2 dok je

maksimalni postignuti učinak sustava 3,2. Postignuti COP samog ureñaja je na razini minimalno 1,2 do maksimalnog učinka 3,3. Učinak zračnih dizalica topline ovisi o vanjskoj temperaturi zraka te im učinak pada sa snižavanjem okolišne temperature zraka, a i velike su oscilacije temperature toplinskog izvora odnosno zraka. Sustavi koji su postigli učinkovitost ispod 2,0 su pogrešno instalirani ili su instalirani na pogrešnim lokacijama. Zračne dizalice topline nisu u pravilu predviñene za instaliranje u krajevima s niskim temperaturama zraka u sezoni grijanja, a posljedica takih instalacija je učinak sustava od 1,2.

Slika 17. Faktor sustava SPF geotermalnih dizalica topline [2]

Ispitivane geotermalne dizalice topline su postigle nešto veće srednje faktore učinka sustava u prosjeku 2,3-2,5. Minimalni ostvareni učinak je 1,2 dok je maksimalni postignuti učinak sustava 3,2. Pri čemu je SPF ispitivanih ureñaja bio na razini od 1,3 do 3,6 pa se može zaključiti da se dosta učinka izgubilo na pokretanju cirkulacijskih crpki, automatskoj regulaciji te dodatnim električnim grijačima koji su korišteni za dogrijavanje vode grijanja i sanitarne vode. Tvornički, laboratorijski odnosno kataloški COP geotermalnih dizalica topline je oko 4,5-4,7 i to kada se koriste u kombinaciji sa podnim grijanjem u režimu 35-40°C polazne temperature. Ispitivani sustavi u Velikoj Britaniji su korišteni u složenijim instalacijama što pokazuje veliki pad učinkovitosti sustava zbog većeg broja instaliranih komponenti. Geotermalni izvor topline ima relativno stabilnu temperaturu koja oscilira ovisno o lokaciji i postavljenoj dubini kolektorske mreže. Stabilna temperatura izvora topline osigurava stalnu toplinsku snagu koja se može dobiti iz izvora te koliko je izvor topline stabilan toliko je dobra i koncepcija primjene odreñene vrste dizalice topline. Stabilnost se pokazuje kroz male oscilacije temperature izvora tijekom dana i tijekom sezone grijanja. Geotermalna dizalica topline kod koje je ukupni učinak sustava 1,2 je u potpunosti pogrešno projektirana, instalirana i krivo je primjenjena u kombinaciji s postojećim radijatorskim grijanjem i starim grañevinama kod kojih su ogrijevna radijatorska tijela dimenzionirana na visoke temperaturne režime.

ZAKLJU ČAK

Loše dimenzioniranje cijelog sustava može dovesti do visokih troškova pogona ili jednakih troškova klasičnim energentima zemnom plinu, ukapljenom naftnom plinu ili lož ulju. Cilj je dimenzionirati sustav koji će imati manje troškove pogona te će dugoročno ostvariti uštedu u pogonu i opravdati puno veću investiciju.

Dugo se vremena kao referentna veličina za dizalice topline uzimao COP odnosno faktor dizalice koji uključuje pretežito samo kompresorski krug. Podatci na razini faktora H1 i H2 se najčešće mogu pronaći u katalozima proizvoñača jer oni daju podatke za ureñaj koji proizvode te na njemu obavljaju laboratorijska ispitivanja. Primjenom dizalice topline na stvarnim sustavima dolazi se do faktora H3 i H4 koji znatno mijenjaju ukupni SPF ili sezonski faktor sustava dizalice topline. Loš odabir hidrauličkih elemenata dovesti će do smanjivanja faktora te do dugoročno veće potrošnje električne energije te većih računa. Takoñer vrijednosti faktora ovise o navikama korisnika sustava, o fizikalnim karakteristikama grañevine te mikroklimatskim uvjetima okoline u kojoj se nalazi grañevina. Kada se uspostavi standardizirani model mjerenja učinkovitosti dizalica topline lakše će se moći usporeñivati dizalice topline s ureñajima koji koriste zemni plin ili biomasu.

Ovisno o navikama korisnika mijenjati će se i traženi stupanj ugode prostora, tražene temperature zraka prostorija te zahtjevana složenost sustava grijanja, hlañenja i ventilacije. Iz svih tih faktora proizlazi ukupni godišnji faktor sustava SPF. Dobro dimenzionirani sustavi mogu postići visoki faktor sustava SPF na razini iznad 4,0. Potrebno je da faktor sustava bude iznad 2,63 da bi mogli govoriti o sustavu s obnovljivim izvorom energije prema Direktivi Europske Unije. Definirana donja granica je osnova fondovima za planiranje programa poticaja primjene obnovljivih izvora energije. Terenskim ispitivanjem dobivaju se podatci o stvarnim sustavima te se definiraju uzroci i posljedice te su napravljene preporuke za nove instalacije da se postigne što bolji rezultat. Europska Unija polaže velike nade u primjenu dizalica topline jer bi one trebale znatno smanjiti emisiju stakleničkih plinova. Dizalica topline koja ima SPF oko 2,0 je konkurentna po pitanju emisije stakleničkih plinova klasičnim plinskim bojlerima.

Slika .18. Usporedba emisije stakleničkih plinova [4] LITERATURA [1] SEPEMO-Build - a European project on seasonal performance factor and monitoring

for heat pump systems in the building sector,

Roger Nordman, SP Technical Research Institute of Sweden, P.O Box 857, 50115 Borås, Sweden, roger.nordman@sp.se Andreas Zottl, AIT – Austrian Institute of Technology, Giefinggasse 2, 1210 Vienna, Austria

[2] The Energy Saving Trust, Velika Britanija, http://www.energysavingtrust.org.uk/ , Getting warmer: A field trial of heat pumps report, 2010.

[3] Zottl, A., Nordman, R., et. al. 2011 ”Guideline for heat pump field measurements” SEPEMO-Build Project, Deliverable, 4.1, Contract for the European Communities. Contract No.: IEE/08/776/SI2.529222., 2011.

[4] Delta 2011: Delta Energy & Environment, ”Heat Pumps in the UK: How Hot Can They Get?” – A Delta Whitepaper, 2011

SPF seasonal performance factor

Dario Hrastović, dipl. ing. stroj. Hrastović inženjering d.o.o., Đakovo, K.P.Svačića 37.a, 31400 Đakovo, 099-221-6503

dario.hrastovic@gmail.com, www.hrastovic-inzenjering.hr Abstract: The seasonal performance factor of heat pumps include the relations obtained by heat and embedded electricity. Analysis of the SPF value can be done at several levels: on the level of heat pumpt, expansion to additional heating systems, auxiliary equipment, pumps and fans and finaly the total energy analysis of the entire system. Lower limit that is allowed for the SPF is 2.63, while the value refers to the heat pump and auxiliary devices that create heat device. Poor heat systems will have great electric power consumption and heat pumps will not longer be a renewable source of energy if, SPF drops below 2.63. Key words: heat, electricity, SPF seasonal performance factor