Badania pomp ciepła – metody badawcze, zakres, normy

Rozwiązania technologiczne stosowane w konstrukcji ogrzewaczy pomieszczeń i podgrzewaczy ciepłej wody użytkowej, pomimo realizowania podobnych celów funkcjonalnych, mogą różnić się wpływem na środowisko. Wiele dostępnych na rynku rozwiązań przyczynia się do większego zużycia zasobów naturalnych niż inne. Jednocześnie istnieją konstrukcje o dużym potencjale rozwoju, które mogą poprawić efektywność energetyczną tych produktów. Szczególną uwagę warto zwrócić na technologie stosowane w pompach ciepła.

Celem dyrektyw i rozporządzeń UE określających zasady tzw. Ekoprojektu i ustanawiających ramy etykietowania energetycznego jest osiągnięcie wysokiego poziomu ochrony środowiska poprzez promowanie produktów energooszczędnych co umożliwia redukcję negatywnego wpływu na środowisko produktów związanych ze zużyciem energii. Regulacje te określają warunki, które mają zastosowanie do tych produktów przy wprowadzaniu ich do obrotu lub oddawaniu do użytku. Obowiązek zapewnienia etykietowania oraz zamieszczanie informacji dotyczących efektywności energetycznej, zużycia energii i innych zasobów podczas użytkowania oraz podawanie informacji dodatkowych, umożliwia klientom świadomy wybór efektywniejszych produktów i pozwala na zmniejszenie zużycie energii w gospodarstwach domowych i przemyśle.

Obecnie wiele istniejących na rynku rozwiązań ma znacznie większy udział w zużywaniu zasobów naturalnych, niż pozostałe. Jednocześnie istnieją takie rozwiązania, które posiadają spory potencjał rozwoju, który może być wykorzystany do poprawy osiąganej efektywności energetycznej tych produktów.
W szczególności na uwagę zasługują technologie stosowane w pompach ciepła.
W celu wsparcia prawodawstwa UE (dyrektyw, rozporządzeń) opracowywane są normy zharmonizowane, które stanowią element prawa UE. Stosowanie norm jest dobrowolne, jednak produkty wytworzone zgodnie z normami zharmonizowanymi korzystają z domniemania zgodności z odpowiednimi wymaganiami zasadniczymi dyrektyw, rozporządzeń lub innych aktów prawa UE. Dzięki stosowaniu norm zharmonizowanych producent może skorzystać z uproszczonego procesu oceny zgodności wyrobu z właściwą dyrektywą lub rozporządzeniem.
W odniesieniu do pomp ciepła istnieje szereg norm zharmonizowanych w oparciu, o które można potwierdzić parametry użytkowe urządzeń oraz spełnienie wymogów bezpieczeństwa.

Badania pomp ciepła można podzielić na następujące kategorie:

• badania dotyczące charakterystyk energetycznych i eksploatacyjnych;
• badania ciśnieniowe szczelności i wytrzymałości;
• badania akustyczne;
• badania bezpieczeństwa użytkowania elektrycznego;
• badania kompatybilności elektromagnetycznej.

BADANIA CHARAKTERYSTYK ENERGETYCZNYCH

Badania te dostarczają informacji o charakterystyce energetycznej urządzenia w kontekście ponoszonych przez użytkowników kosztów eksploatacyjnych. Obejmują one wyznaczenie wskaźników efektywności energetycznej w oparciu o pomiary wydajności cieplnej, ziębniczej, poboru mocy efektywnej dla urządzeń pracujących w znormalizowanych warunkach. Podstawowymi współczynnikami charakteryzującymi efektywność energetyczną pomp ciepła są współczynniki: ηs,h, ηs,c, COP, EER, SCOP, SEER.

COP (współczynnik efektywności ogrzewania) określa stosunek uzyskanej ilość energii cieplnej, do włożonej energii elektrycznej w konkretnych warunkach pracy układu. Wartość tego współczynnika wyznaczana jest na podstawie badań laboratoryjnych w warunkach zgodnych z obowiązującymi normami. COP jest mocno uzależniony od tych warunków dlatego warto sprawdzić czy producent prezentując dane w swoich materiałach handlowych podaje pełną charakterystykę wyrobu czy też ogranicza się do publikacji wartości współczynnika COP wyznaczonego dla najbardziej korzystnych warunków. Badania wykonane zgodnie z odpowiednią normą pozwolą użytkownikom uniknąć rozczarowań związanych z niską efektywnością urządzeń, a producentom zapewnią ochronę przed ewentualnymi roszczeniami ze strony klientów.

SCOP (sezonowy współczynnik efektywności ogrzewania) jest to ogólny współczynnik wydajności urządzenia dla całego sezonu grzewczego. SCOP określa stosunek rocznego zapotrzebowania na ciepło do zużycia energii elektrycznej w tym samym okresie.

ηs,h (sezonowa efektywność energetyczna ogrzewania pomieszczeń) oznacza, wyrażany w %, stosunek zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń w określonym sezonie grzewczym, do rocznego zużycia energii wymaganej do zaspokojenia tego zapotrzebowania.

Bazowymi dokumentami w przypadku badań pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń ze sprężarkami o napędzie elektrycznym jest seria norm PN-EN 14511. Dokumenty te zostały przygotowane w ramach rozporządzeń Komisji (UE) o numerach: 206/2012, 626/2011, 813/2013, 811/2013, 2015/1095 oraz 2016/2281.

Twórcy normy rozróżniają badania w warunkach znamionowych znormalizowanych i warunkach znamionowych zastosowania. Zdefiniowane wartości temperatur wody w warunkach znamionowych znormalizowanych zależne od zastosowania temperaturowego pomp ciepła przedstawiono w Tabeli 1.

Tabela 1. Zdefiniowane wartości temperatur wody w warunkach znamionowych znormalizowanych zależne od zastosowania temperaturowego pomp ciepła wg PN-EN 14511

W przypadku pomp ciepła ze stałym natężeniem przepływu w warunkach znamionowych zastosowania, temperatury nośników ciepła po stronie wlotu do wymiennika przyjmują wartości wynikowe stosownie do wielkości strumieni nośników ciepła zmierzonych w trakcie badań w warunkach znamionowych znormalizowanych.

W przypadku jednostek o zmiennym natężeniu przepływu badania wykonywane są przy stałej różnicy temperatur wody dla poszczególnych zastosowań temperaturowych.
W trakcie badania pomp ciepła mierzy się szereg parametrów określonych przez normę m.in. natężenia przepływu nośników ciepła, temperatury nośników ciepła na wlocie i wylocie z pompy, ciśnienia statyczne, pobór mocy elektrycznej. Na tej podstawie wyznacza się wydajność grzewczą/ziębniczą badanego urządzenia, moc efektywną oraz oblicza współczynniki jego efektywności energetycznej.

W zależności od rodzaju urządzenia norma przewiduje zastosowanie różnych metod badań, takich jak: określenie strumienia objętości nośnika ciepła oraz jego temperatury na dopływie i odpływie wody z wymiennika ciepła z uwzględnieniem właściwej pojemności cieplnej i gęstości nośnika ciepła, metoda kalorymetryczna oraz metoda entalpii powietrza.

Szczegółowe warunki badań takie jak temperatury, warunki obciążenia częściowe oraz metody obliczeń w celu wyznaczania sezonowego współczynnika efektywności ogrzewania SCOP, SCOPon i sezonowej efektywności energetycznej ogrzewania pomieszczeń ηs,h zawarte są w normie PN-EN 14825. Norma ta ma zastosowanie do urządzeń zdefiniowanych w PN-EN 14511-1 oraz PN-EN 15879-1. Warunki wyznaczania wartości znamionowych, metody badania oraz wymagania dla aparatury badawczej podano PN-EN 14511-2, PN-EN 14511-3 i PN-EN 15879-1 z uwzględnieniem dodatkowych wymogów zawartych w niniejszej normie. Elementem niezbędnym do wyznaczenia współczynnika efektywności ogrzewania są również pomiary wykonane w trybie wyłączonego termostatu, trybie
czuwania, stanie wyłączenia i trybie włączonej grzałki karteru.

Warunki obciążenia częściowego uzależnione są od:

• temperatury wylotowej wody
• natężenia przepływu
• referencyjnego sezonu grzewczego
• zastosowania temperaturowego

Rozporządzenia UE dotyczące Ekoprojektu dla ogrzewaczy pomieszczeń definiują warunki klimatu umiarkowanego jako europejski referencyjny sezon ogrzewczy oraz zastosowanie niskotemperaturowe i średniotemperaturowe. Parametry w kartach produktów należy, więc deklarować dla warunków klimatu umiarkowanego dla zastosowań nisko i średniotemperaturowych. W Tabeli 2. zawarto warunki obliczeniowe dla ogrzewaczy pomieszczeń z pompą ciepła i wielofunkcyjnych ogrzewaczy z pompą ciepła.

Tabela 2. Warunki obliczeniowe dla ogrzewaczy pomieszczeń z pompą ciepła i wielofunkcyjnych ogrzewaczy z pompą ciepła, dla temperatur określonych jako temperatura termometru suchego powietrza (temperatura termometru mokrego powietrza została podana w nawiasach)

Klasa sezonowej efektywności energetycznej ogrzewania pomieszczeń ustalana jest na podstawie jego sezonowej efektywności energetycznej ogrzewania. Klasyfikacja ogrzewaczy powietrza z pompą ciepła zawarta jest w Rozporządzeniu UE Nr 811/2013.

Tabela 3. Klasy sezonowej efektywności energetycznej ogrzewania pomieszczeń wg Rozporządzenia UE Nr 811/2013

Badania pomp ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym z bezpośrednim odparowaniem – grunt/woda (ziębiwo) do ogrzewania pomieszczeń wykonywane są wg normy PN-EN 15879-1. Raport z badań powinien zawierać co najmniej następujące elementy dla każdego z warunków oceny: wydajność grzewcza, wydajność chłodnicza, pobór mocy efektywnej, COP, EER, spadek ciśnienia statycznego lub zewnętrzne ciśnienie statyczne po stronie wewnętrznego wymiennika ciepła, przegrzanie, napełnienie czynnika chłodniczego.

Procedury badań pomp ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym do przygotowania ciepłej wody użytkowej zawarto w normie PN-EN 16147. Badania pompy ciepła do ciepłej wody użytkowej wykorzystującej powietrze wewnętrzne i zewnętrzne mogą obejmować: okres nagrzewania, pobór mocy w stanie gotowości do pracy, wyznaczanie energii użytecznej, pomiar zużycia energii elektrycznej, wyznaczenie COP dla określonych dziennych profili poboru wody, wyznaczenie wskaźnika sezonowej efektywności grzania SCOPDHW, wyznaczenie sezonowej efektywności energetycznej ogrzewania wody ηwh, określenie referencyjnej temperatury ciepłej wody i maksymalnej objętości cwu, zakres temperatur roboczych, badanie kontrolne urządzeń zabezpieczających. Sezonowy współczynnik wydajności SCOPDHW należy uważać za równy COPDHW, gdy został określony w warunkach zdefiniowanych w normie w klimacie umiarkowanym oraz z maksymalnym profilem obciążenia zadeklarowanym przez producenta.

RAPORT Z BADAŃ

Zgodnie z wymaganiami norm wyniki badań pomp ciepła powinny zostać przedstawione
w formie protokołu (raportu / sprawozdania) z badań. Wymogi co do treści i formy protokołu są ściśle określone w normach dotyczących badań, a w przypadku badań akredytowanych istnieją dodatkowe wymagania wynikające w zapisów normy PN-EN-ISO/IEC 17025 dotyczącej systemu jakości. Stosowanie tych zasad gwarantuje, że raport z badań jest przejrzysty i zrozumiały dla odbiorcy, niezależnie od tego w jakim kraju i przez jakie laboratorium został sporządzony.

Protokół badań wydany zgodnie z zapisami normy PN-EN 14511-3 powinien zawierać co najmniej następujące dane: datę, instytucję badającą, miejsce badania, metodę badań, dane osoby nadzorującej badania, określenie badanego obiektu (typ, numer seryjny, nazwę producenta), rodzaj czynnika chłodniczego, masa czynnika chłodniczego, własności płynów, odniesienie do niniejszej Normy Europejskiej. Należy podać dodatkowe informacje zawarte na tabliczce znamionowej oraz wszelkie inne informacje istotne dla badania. W szczególności należy podać, czy badaniom poddano wyrób nowy czy używany. W przypadku badań urządzenia używanego należy podać rok zamontowania oraz informacje dotyczące czyszczenia rur wymiennika ciepła. Wydajności znamionowe, pobór mocy, współczynnik COP, EER, wewnętrzne lub zewnętrzne ciśnienie statyczne powinny być podane łącznie z warunkami znamionowymi.

W przypadku normy PN-EN 14825 w raporcie powinny znaleźć się informacje ogólne i dodatkowe określone w PN-EN 14511-3 lub w PN-EN 15879-1, wyniki badań i obliczenia EER lub COP przy obciążeniu częściowym, ponadto w przypadku jednostek hybrydowych należy podać metodę badania, która została zastosowana. Zamieszczane w raporcie obliczenia sezonowej efektywności chłodzenia/ogrzewania pomieszczeń ηs,c/ηs,h, SEER/SCOP i SEERon/SCOPnet lub sezonowego współczynnika efektywności energetycznej SEPR, powinny być oparte na wynikach badań. Niedopuszczalne jest umieszczanie w raporcie z badań obliczeń wykonanych na podstawie wartości deklarowanych.

Każdy raport wydany przez laboratorium akredytowane zgodnie z PN-EN-ISO/IEC 17025 powinien zawierać co najmniej podane niżej informacje

• tytuł (np. „Protokół z badań” );
• nazwę i adres laboratorium,
• symbol i numer akredytacji (Przykład Rys. 2)
• miejsce wykonywania działalności laboratoryjnej;
• jednoznaczną identyfikację, zapewniającą, że wszystkie jego elementy są uznawane za część kompletnego raportu, oraz jednoznaczną identyfikację końca raport;
• nazwę i dane kontaktowe klienta;
• identyfikację zastosowanej metody;
• opis, jednoznaczną identyfikację i, jeśli to konieczne, stan obiektu;
• datę przyjęcia obiektu do badania
• datę wykonania czynności laboratoryjnej;
• datę wydania raportu;
• stwierdzenie, że wyniki dotyczą wyłącznie obiektów badanych
• wyniki badań wraz z niepewnościami pomiaru
• uzupełnienia, odstępstwa lub ograniczenia metody
• identyfikację osoby autoryzującej raport;
• wyraźną identyfikację wyników dostarczanych przez zewnętrznych dostawców;

Każdy raport powinien zostać opatrzony zapisem, że raport bez zgody laboratorium nie powinien być powielany inaczej niż w całości, co stanowi gwarancję, że fragmenty raportu nie będą wykorzystywane oddzielnie od kontekstu. Wszystkie dane deklarowane i pochodzące od klienta powinny być jednoznacznie zidentyfikowane.

Badania wykonywane w ramach akredytacji nadanej przez Polskie Centrum Akredytacji (PCA jest sygnatariuszem ILAC MRA) objęte są licencją na stosowanie międzynarodowego znaku ILAC MRA, o wzajemnym uznawaniu raportów z badań, wydawanych przez akredytowane laboratoria na całym świecie. Akredytowane laboratoria sygnatariuszy ILAC MRA mogą używać znaku ILAC MRA (Rys. 3) w połączeniu z symbolem akredytacji (Przykład Rys. 4), do którego akredytowana jednostka jest uprawniona.

BADANIA DOTYCZĄCE CHARAKTERYSTYK EKSPLOATACYJNYCH

Badania eksploatacyjne pomp ciepła wykonywane zgodnie z wymaganiami PN-EN 14511-4 oraz PN-EN 15879-1 obejmują np. badanie zakresu zastosowania określonego przez producenta, badanie przy zamknięciu przepływu czynników przekazujących ciepło, badanie przy całkowitej awarii zasilania, sprawdzenie działania systemu odszraniania, ocena odprowadzenia skroplin. Urządzenie powinno nadawać się do uruchomienia i/lub pracy w granicach użytkowania (temperatury i przepływy) określonych przez producenta.

BADANIA SZCZELNOŚCI I WYTRZYMAŁOŚCI INSTALACJI

Pompy ciepła powinny spełniać wymagania Dyrektywy 2014/68/UE dotyczącej udostępniania na rynku urządzeń ciśnieniowych, tzw. Dyrektywy PED. Badania szczelności i wytrzymałości instalacji pomp ciepła wykonuje się według norm PN-EN 378-2, PN-EN 14276-1, PN-EN 14276-2.

Norma PN-EN 378 składa się z czterech części (PN-EN 378-1, PN-EN 378-2, PN-EN 378-3, PN-EN 378-4) i jest podstawową normą w przypadku instalacji chłodniczych i pomp ciepła. Zawiera ona wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska, w tym wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru (część 1), wymagania w zakresie projektowania, konstrukcji, badania, znakowanie i dokumentowanie (część 2), wymagania dotyczące usytuowania instalacji i ochrony osobistej (część 3), obsługi, konserwacji, naprawy i odzysku (część 4). W normie tej określono wymagania dotyczące bezpieczeństwa osób i mienia, dostarczono wskazówek w zakresie ochrony środowiska oraz ustanowiono procedury dotyczące działania, konserwacji i napraw instalacji chłodniczych oraz odzysku czynników chłodniczych.

Seria norm PN-EN 378 zawiera szereg zasad niezbędnych do spełnienia, w celu potwierdzenia wymagań wynikających z obowiązujących przepisów. Konieczne jest to m. in. w przypadku potwierdzenia spełniania wymagań dyrektywy PED.

Badania wykonywane w przypadku potwierdzania wymagań dyrektywy PED to:

• ciśnieniowa próba szczelności
• ciśnieniowa próba wytrzymałości

Wartości ciśnień do ww. badań wyznaczane są na podstawie wartości najwyższego dopuszczalnego ciśnienia określonego przez producenta dla danej konstrukcji i przeznaczenia urządzenia.

Zgodnie z Dyrektywą PED „najwyższe dopuszczalne ciśnienie PS” oznacza najwyższe ciśnienie, dla którego zaprojektowane jest urządzenie, określone przez producenta i zdefiniowane w miejscu przez niego określonym, którym jest miejsce przyłączenia urządzeń zabezpieczających lub ograniczających albo górna część urządzenia lub, jeśli nie jest to właściwe, dowolny określony punkt”

BADANIA AKUSTYCZNE POMP CIEPŁA

Niezmiernie ważną kwestią jest emisja hałasu pochodzącego od urządzeń. W przypadku pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń parametr ten wyznaczany jest zgodnie z normą PN-EN 12102-1, natomiast dla podgrzewaczy wody z pompą ciepła zgodnie z PN-EN 12102-2.

Jedną z metod wyznaczenia emisji hałasu jest pomiar poziomu ciśnienia akustycznego na podstawie którego wyznaczany jest poziom mocy akustycznej. Mierzony poziom ciśnienia akustycznego, jest uzależniony od położenia przyrządu pomiarowego, warunków środowiskowych
i odległości pomiędzy punktem pomiaru a źródłem dźwięku, w związku z czym nie jest on miarodajnym kryterium oceny głośności. Poziom mocy akustycznej jest to natomiast całkowita energia akustyczna wytworzona przez urządzenie, wartość ta skorygowana według charakterystyki A, uwzględnia wrażliwość ucha ludzkiego na dźwięki o różnych częstotliwościach. W związku z powyższym należy zwracać szczególną uwagę na to czy wartości deklarowane nie są zaniżane poprzez podawanie wartości ciśnienia akustycznego zamiast mocy akustycznej.

Poziom mocy akustycznej ogrzewaczy pomieszczeń z pompą ciepła i ogrzewaczy wielofunkcyjnych z pompą ciepła wg Rozporządzenia Komisji (UE) nr 813/2013 nie powinien przekraczać następujących wartości:

BADANIA BEZPIECZEŃSTWA UŻYTKOWANIA ELEKTRYCZNEGO POMP CIEPŁA

Badania te koncentrują się na ocenie cech urządzenia umożliwiających zaklasyfikowanie go jako urządzenia bezpiecznego do użytkowania. Składają się na to badania sprawdzające pracę urządzenia w warunkach kontrolowanych oraz warunkach nienormalnych. Dodatkowo ocenie podlegają m.in. wytrzymałość mechaniczna, odporność na wysoką temperaturę, zastosowanie części składowych, prawidłowość połączeń uziemiających. Badania wykonuje się zgodnie normą PN-EN IEC 60335-1 z uwzględnieniem wymagań szczegółowych zawartych w PN-EN IEC 60335-2-40. Norma dotyczy racjonalnie przewidywalnych zagrożeń pojawiających się w trakcie eksploatacji pomp ciepła. W normie uwzględniono czynniki chłodnicze grup A1, A2L, A2 i A3 według klasyfikacji zdefiniowanej
w ISO 817 oraz szczegółowe wymagania dotyczące użytkowania coraz częściej stosowanych w pompach ciepła palnych czynników chłodniczych (np. R290 – propan). Jeżeli wymagania techniczne nie są objęte niniejszą normą, z uwzględnieniem załączników, wymagania dotyczące bezpieczeństwa użytkowania są zawarte w ISO 5149.

BADANIA KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ

Żadna z wprowadzanych na rynek pompa ciepła nie powinna powodować nadmiernych zaburzeń elektromagnetycznych w stosunku do innych urządzeń działających w tym środowisku. W celu weryfikacji poprawności działania wymagane jest przeprowadzenie badań kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Urządzenia przed oddaniem do użytku i wprowadzeniem na rynek podlegają ocenie zgodności z wytycznymi Dyrektywy 2014/30/UE.

PODSUMOWANIE

Wprowadzanie na rynek pomp ciepła wiąże się z szeregiem obowiązków ciążących na producentach lub podmiotach wprowadzających wyroby do obrotu. Odpowiedzialne podmioty dążą do potwierdzenia swoich deklaracji poprzez wykonywanie badań w niezależnych laboratoriach akredytowanych w zakresie metodologii zawartej w normach. Stosowanie znormalizowanych metod badawczych obiektywizuje ocenę urządzeń i umożliwia porównanie parametrów (m.in. wydajności cieplnej, zużycia energii, COP, SCOP, ηs,h) różnych pomp ciepła w tych samych warunkach pracy. Badania w akredytowanych jednostkach przynoszą korzyści wszystkim uczestnikom rynku, którzy dzięki temu otrzymują wiarygodne informacje na temat produktów oraz możliwość rzetelnej weryfikacji parametrów urządzenia.

Autorzy:
mgr inż. Dorota Niedojadło
Centralny Ośrodek Chłodnictwa „COCH” w Krakowie

mgr inż. Mateusz Głąb
Centralny Ośrodek Chłodnictwa „COCH” w Krakowie

mgr inż. Mikołaj Ostrowski
Centralny Ośrodek Chłodnictwa „COCH” w Krakowie

Bibliografia: