Ekodizajn na úseku klimatizátorov

Ekodizajn sa stále viac a viac stáva stredobodom pozornosti nielen výrobcov, ale aj používateľov klimatizátorov s výkonom do 12 kW, pretože od 1. januára tohto roka platí nariadenie č. 206/2012/ES, v ktorom sa stanovuje minimálna energetická účinnosť klimatizátorov uvádzaných na trh Európskej únie. Okrem toho platia od začiatku tohto roka aj nové energetické štítky.

Cena klimatizátorov verzus spotreba energie
Európa si stanovila cieľ znížiť spotrebu energie a zvýšiť energetickú účinnosť do roku 2020 o 20 % a práve nariadenie č. 206/2012/ES predstavuje jednu z možností, ako to dosiahnuť. Každá minca má však dve strany, čo platí aj v tomto prípade. Na jednej strane sa síce zníži spotreba energie za pomerne krátku sezónu používania (najmä chladiacej funkcie klimatizátorov), na druhej strane trh opustia klimatizátory s nižšou cenou.

Požiadavky na minimálnu energetickú účinnosť
Od 1. januára 2013 musia klimatizátory (s výnimkou jednokanálových a dvojkanálových klimatizátorov) spĺňať požiadavky na minimálnu energetickú účinnosť a maximálnu hladinu akustického výkonu podľa tab. 1 a 2.

Sezónne účinnosti sú lepším reprezentantom skutočnej prevádzky
Jedným z opatrení na dosiahnutie požadovaného výrazného zníženia spotreby energie je prejsť z hodnotenia nominálnych chladiacich (EER) a vykurovacích súčiniteľov (COP) na sezónne účinnosti SEER, SCOP a vylúčiť z trhu tie zariadenia, ktoré požadované účinnosti nedosahujú.

Klimatizátory pracujú na plný výkon (najmä v oblasti chladenia) len malú časť z celkového času. Väčšinou pracujú len pri čiastočnom zaťažení, takže sú silno predimenzované. Ich chladiaci/vykurovací súčiniteľ môže potenciálne rásť približovaním sa vyparovacej a kondenzačnej teploty. Využitie tohto potenciálu zlepšenia účinnosti pri čiastočnom zaťažení však závisí od schopnosti chladiaceho okruhu pracovať efektívne aj pri čiastočnom zaťažení približovaním vyparovacej a kondenzačnej teploty pomocou elektronického ovládania a regulácie s variabilným výkonom kompresora(ov) podľa aktuálnej potreby tepla či chladu, ventilátorov, s elektronickým expanzným ventilom a pod.

Ak si zoberieme príklad teplôt vonkajšieho vzduchu v oblasti Bratislavy (zodpovedá priemeru európskej klímy), je zrejmé, že podiel počtu hodín chladenia je v porovnaní s časom kúrenia výrazne menší. Zároveň platí, že nominálny chladiaci súčiniteľ EER sa pri plnom zaťažení pri teplote vonkajšieho vzduchu 35 °C vyskytuje len krátko, pri malom počte hodín prevádzky počas roka. Súčinitele EER a COP tak pri plnom zaťažení nemôžu reprezentovať ener­getickú efektívnosť pri skutočnom používaní.

Obr. 1  Výkon smernice č. 2009/125/ES o ekodizajne
Smernica č. 2009/125/ES o stanovení požiadaviek na ekodizajn energeticky významných výrobkov sa vykonáva nariadením č. 206/2012/ES (ak ide o požiadavky na ekodizajn klimatizátorov a pohodových ventilátorov) a nariadením č. 626/2011/ES, v rámci ktorého sú dané požiadavky na energetické štítky klimatizátorov

SEER a SCOP
V súčasnosti už existuje metóda na výpočet sezónneho chladiaceho a vykurovacieho súčiniteľa – zatiaľ pri klimatizátoroch do výkonu 12 kW – na báze normy STN EN 14825, ktorá preberá chladiace a vykurovacie súčiniteľe pri plnom a čiastočnom zaťažení podľa normy STN EN14511, časti 1 – 4.

Sezónne účinnosti zohľadňujú:

• používanie viacerých teplôt vonkajšieho vzduchu (namiesto jednej) na určenie COP a EER,
• hodnotenie prevádzky nielen pri plnom, ale aj čiastočnom zaťažení,
• integráciu prídavnej energie do SEER a SCOP na udržanie klimatizátorov v prevádzke.

Sezónne účinnosti lepšie vystihujú skutočnú prevádzku počas roka a umožňujú vyvíjať na výrobcov tlak, aby sa zlepšovali tým, že zavedú opatrenia, ktoré sa pri hodnotení výlučne nominálnej účinnosti pri plnom zaťažení nepre­javili, pri celkovom hodnotení však majú pod­statný vplyv na konečnú spotrebu energie.

Nominálna a sezónna účinnosť
Nominálna účinnosť pri plnom zaťažení udáva, ako účinne klimatizátor využíva dodanú energiu pri nominálnych (normalizovaných) podmienkach.

Sezónna účinnosť udáva, ako účinne klimatizátor využíva dodanú energiu počas celej chladiacej či vykurovacej sezóny (tab. 5).

Európsky energetický štítok klimatizátorov
Energetický štítok (obr. 2) podľa nariadenia č. 626/2011/ES vyjadruje sezónnu účinnosť, to znamená, že vyjadruje účinnosť počas celej chladiacej a vykurovacej sezóny. Kategórie B až D sú tým červenšie, čím je sezónna účinnosť nižšia, kategórie A až A+++ sú tým zelenšie, čím je sezónna účinnosť vyššia. Pri kanálových klimatizátoroch platia iné štítky. Minimálne účinnosti klimatizátorov, ktoré bude možné uviesť na trh, už vylučujú ON/OFF spôsob regulácie výkonu, a to čiastočne od roku 2013 a úplne od roku 2015. Výrobky, ktoré sú už nakúpené, sa môžu dopredať.

Na štítku je zobrazený aj akustický výkon, ktorý je pri klimatizátoroch tiež veľmi dôležitý. Spotreba energie vyjadruje podiel ročného výkonu klimatizátora a SCOP (respektíve SEER) vo vybranej klimatickej oblasti.

Obr. 2  Nový energetický štítok
Každý klimatizátor uvedený na trh po 1. januári 2013 musí mať štítok s uvedením sezónnej účinnosti (sezónneho chladiaceho, vykurovacieho súčiniteľa) a bez uvedenia bodu bivalencie pri danej ročnej spotrebe energie vo vybranej klimatickej oblasti pri chladení a vykurovaní; štítok musí obsahovať aj hlučnosť vonkajšej a vnútornej jednotky

Princíp výpočtu sezónneho chladiaceho a vykurovacieho súčiniteľa
Výpočtová teplota pri projektovom zaťažení na hodnotenie SEER ostala na úrovni +35 °C. Pri SCOP sa zmenila na –10 °C pri priemernej klimatickej oblasti podľa obr. 3.

Obr. 3  Typický počet hodín vykurovania (hnedá čiara) v závislosti od vonkajšej teploty

Na obr. 3 je zobrazený typický počet hodín vykurovania (hnedá čiara) v závislosti od tep­loty vonkajšieho vzduchu. Štatistické teplotné intervaly sú pri chladiacej a vykurovacej sezóne dané v rámci troch klimatických oblastí v EÚ. 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 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.
Hodnoty EER_d(Tj) a COP_d(Tj) deklarované výrobcom sú pri deklarovaných chladiacich/vykurovacích zaťaženiach a výkone klimatizátora pri vonkajších teplotách Tj zobrazené na obr. 4 a 5.

Obr. 4  Teplota vonkajšieho vzduchu podľa normy STN EN 14511, pri ktorých sa vyhodnocuje SEER (pri 35, 30, 25, 20 °C) pri čiastočnom zaťažení zodpovedajúcom klesajúcej potrebe chladenia (červená čiara), pri klesajúcom deklarovanom chladiacom výkone klimatizátora (zelená čiara) a pri klesajúcich vonkajších teplotách od 35 po 16 °C	Obr. 5  Teplota vonkajšieho vzduchu podľa normy STN EN 14511, pri ktorých sa vyhodnocuje SCOP (pri 12, 7, 2, –7 °C) pri čiastočnom zaťažení zodpovedajúcom rastúcej potrebe kúrenia (červená čiara) pri klesajúcom deklarovanom vykurovacom výkone klimatizátora (zelená čiara) a pri klesajúcich vonkajších teplotách od 16 do –10 °C

Chladiaci a vykurovací nominálny súčiniteľ
Pri normalizovaných menovitých podmienkach pri výpočtovej teplote sa tieto súčinitele vypočítajú ako

Sezónny chladiaci a vykurovací súčiniteľ
Tieto súčinitele sa vypočítajú ako podiel referenčnej ročnej potreby chladiaceho a/alebo vykurovacieho výkonu a dodanej energie v danej klimatickej oblasti:

Ročná potreba chladenia a kúrenia
Bez vplyvu teploty vonkajšieho vzduchu sa vypočíta ako:

Q_{C referenčná ročná potreba chladenia} = P_{designc pri 35 °C} × H_CE (ekvivalentný počet hodín pri Pdesignc pri 35 °C)
Q_{H referenčná ročná potreba kúrenia} = P_{designh pri 7 °C} × H_HE
(ekvivalentný počet hodín pri Pdesignh pri 7 °C)
P_designc (kW) znamená deklarované zaťaženie pri chladení pri referenčnej výpočtovej teplote
P_designh (kW) znamená deklarované vykurovacie zaťaženie pri referenčnej výpočtovej teplote.

V režime chladenia sa P_designc rovná deklarova­nému chladiacemu výkonu pri vonkajšej tep­lote T_j = T_designc; v režime vykurovania sa Pdesignh rovná čiastočnému zaťaženiu pri T_j = T_designh.

Ročne dodaná (spotrebovaná) energia
Ročne dodaná (spotrebovaná) energia na zabezpečenie (výrobu) ročnej potreby tepelnej energie je výsledkom súčtu:
energia dodaná pri vykurovaní alebo chladení + prídavná energia

kde energia dodaná pri vykurovaní alebo chladení je energia potrebná na funkciu klimatizátora vrátane doplnkového zdroja, zvýšená o spotrebu pri cyklovaní kompresora pri čiastočnom zaťažení,
prídavná energia – súčet spotrebovanej energie na funkciu termostatu, pri pohotovostnom režime, na ohrev oleja či po vypnutí (spotreba prídavnej energie sa tak zviditeľnila).

Sezónny vykurovací súčiniteľ v aktívnom režime
SCOPon predstavuje sezónny vykurovací súčiniteľ v aktívnom režime získaný na základe čiastočného zaťaženia, elektrického výkonu záložného vykurovacieho telesa (ak sa požaduje) a vykurovacích súčiniteľov podľa štatistického teplotného intervalu. Je vážený hodinami, počas ktorých sa vyskytujú podmienky stanovené pri jednotlivých štatistických teplotných intervaloch.

Poznámka: Ekvivalentný počet hodín v aktívnom režime chladenia (H_CE) alebo kúrenia (H_HE) znamená predpokladaný počet hodín za rok (h/rok), počas ktorých jednotka musí zabezpečovať projektované chladiace zaťaženie (P_designc) alebo vykurovacie zaťaženie (P_designh) na účel uspokojenia referenčnej ročnej potreby chladenia alebo kúrenia.

Pri výpočete SCOP_on sa berie do úvahy vplyv zmien teploty vonkajšieho vzduchu. Je podielom potreby tepelnej energie v závislosti od teploty vonkajšieho vzduchu s ekvivalent­ným počtom hodín podľa štatistického intervalu v danej klimatickej oblasti a dodanej energie vypočítanej ako podiel vykurovacieho výkonu (bez doplnkového zdroja) a vykurovacieho súčiniteľa, násobený ekvivalentným počtom hodín vo vzťahu k teplote vonkajšieho vzduchu s pripočítaním energie záložného zdroja a prídavnej energie. V prípade SCOP_net sa energia záložného zdroja a prídavná energia podľa normy STN EN 14825 nezapočítajú.

Záver
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. 206/2012/ES sa blíži viacej k 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.

Výrobcovia majú preto motiváciu na zlepšenie energetickej efektívnosti pri čiastočnom zaťažení výberom 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, rýchlosti prúdenia vzduchu s ventilátormi s EC motormi a pod.

Cieľom nariadenia je prispieť ku konečným úsporám energie v rámci tzv. klimaticko-energetického balíčka, a to formou zákazu uvádzania energeticky neefektívnych klimatizátorov na trh a formou označovania klimatizátorov energetickým štítkom s takými údajmi, ktoré zákazníkovi poskytnú prehľad o jeho vlastnostiach.

doc. Ing. Peter Tomlein, PhD.
Obrázky: Daikin

Autor pôsobí v Slovenskom zväze pre chladiacu a klimatizačnú techniku.

Literatúra
1.    STN EN 14825: 2012 Klimatizátory, blokové chladiče vody a tepelné čerpadlá s elektricky poháňanými kompresormi na vykurovanie a chladenie priestoru. Skúšanie a hodnotenie pri podmienkach čiastočnej záťaže.
2.    STN EN 14511 1-4 Klimatizátory, chladiče kvapalín a tepelné čerpadlá s elektricky hnaným kompresorom pre chladenie a kúrenie. 2009.
3.    Smernica č. 2009/125/ES Stanovenie požiadaviek na ekodizajn energeticky významných výrobkov.
4.    Nariadenie č. 626/2011/ES Označovanie klimatizátorov energetickými štítkami.
5.    Nariadenie č. 206/2012/ES Požiadavky na ekodizajn klimatizátorov a pohodových ventilátorov.
6.    Podklady zo seminára spoločnosti Daikin CE, Viedeň, 3. 12. 2012.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.