POMPE DE CĂLDURĂ

ARGUMENTE

Se apreciază că de la începutul erei noastre şi până în 1990 a fost consumată o

cantitate totală de energie echivalentă cu 420 miliarde tone de combustibil

convenţional. Aceeaşi cantitate va fi consumată pe perioada 1990-2018, şi mai târziu în

intervale de timp din ce în ce mai scurte. Această creştere a consumului mondial de

energie - chiar în conditiile scăderii consumului pe cap de locuitor - se datorează în

primul rând puternicii creşteri demografice din ţările în curs de dezvoltare.

Tabel 2.1. Rezervele mondiale de energie corespunzătoare combustibililor

fosili, exprimate în miliarde tone de combustibil convenţional

Petrol Gaze

naturale

Carbune

brun

Sisturi

bituminoa

se

Huila Total

Rezerve certe

exploatabile 202 167 128 149 617 1263

Rezerve

suplimentare

apreciate

154 250 702 350 5509 6965

Problema surselor limitate de combustibili fosili poate fi limitată - cel puţin

parţial - prin utilizarea din ce în ce mai mult a surselor regenerabile de energie, care

se bazează în cea mai mare parte pe utilizarea directă sau indirecta a energiei solare (cu

excepţia energiei geo-termale).

EMISIILE DE SUBSTANŢE NOCIVE ŞI EFECTUL DE SERĂ

DATORATE SECTORULUI ENERGETIC

Funcţionarea oricarei instalaţii de încălzire produce emisii de substanţe nocive

(cu excepţia instalaţiilor solare).

De exemplu, cazanul pe combustibil lichid al unei instalaţii de încălzire şi

preparare a apei calde menajere pentru casa unei singure familii produce în medie pe an:

6 kg funingine ;

41 kg acid sulfuric, ;

18 kg monoxid de carbon ;

38 kg oxid de azot ;

12.000 kg de bioxid de carbon.

În figura 1.1. sunt prezentate comparativ emisiile de substanţe nocive ale unei

instalaţii de încălzire cu pompă de căldură funcţionând în sistem monovalent şi bivalent,

precum şi ale unei instalaţii clasice de încălzire cu cazan pe combustibil lichid. În

această comparaţie s-a avut în vedere întregul lanţ de transformări energetice de la

energia primară până la utilizarea energiei pentru încălzire.

Principalele substanţe nocive sunt bioxidul de sulf (SO2), oxidul de azot (NOx),

monoxidul de carbon (CO), diverse hidrocarburi aromate (CxHy) şi praful.

Fig.1.1

În figura 12. se poate observa strânsa dependentă a acestor emisii de natura

sistemului de încălzire adoptat.

Fig.1.2

În comparaţia prezentată în figura 1.2. s-a avut de asemenea în vedere întregul

lanţ de transformări energetice, începând de la energia primară şi până la

utilizarea energiei pentru încălzire.

Calculele au ţinut cont şi de diversele sisteme de producere a energiei electrice,

fiecare dintre acestea prezentând randamente diferite şi emisii specifice de noxe

diferite.

Desi majoritatea pompelor de căldură sunt acţionate cu energie eletrică,

mărindu-se în acest fel consumul de electricitate, tot se va reduce consumul total de

combustibil fosil atunci când sunt înlocuite sistemele convenţionale.

Modul în care pompele de căldură vor reduce emisiile de CO2 depinde de

tehnologia pe care o înlocuiesc aceste pompe de căldură şi de sursa de energie de

actionare.

În cazul în care energia de acţionare este energia electrică, reducerea

depinde de modul de producere a acesteia. Dacă energia electrică nu este produsă pe

baza combustibililor fosili, se aşteaptă o reducere foarte puternică. Chiar şi atunci când

energia electrică este produsă pe baza combustibililor fosili, pompele de căldură pot

reduce emisiile de CO2 cu aproximativ 30% până la 50% în comparaţie cu cazanele

clasice.

Reducerea se datorează - în primul rând - faptului că este

nevoie de o cantitate mult mai mică de energie pentru acţionare.

Necesitatea utilizării acestor instalaţii în clădiri are la bază atât legislaţia internă cât şi

cea internaţională.

Protocolul de la Kyoto – 1997 – monitorizarea gazelor cu efect de seră

(principalul fiind CO2); scopul acestui protocol este reducerea cu minimum 5%

a emisiilor de GES (gaze cu efect de seră) faţă de nivelul din anul 1990, în

perioada 2008 – 2012.

Una din posibilităţi este reducerea cosumurilor energetice prin utilizarea pompelor

de căldură, cu agenţi de lucru cu impact cât mai redus asupra încălzirii atmosferei,

Directiva 2002/91/CE a Parlamentului European privind performanţa

energetică a clădirilor – în urma acestei directive, în România a fost

promulgată Legea 372/13 din decembrie 2005, privind performanţa energetică a

clădirilor (în vigoare de la 1 ianuarie 2007) în care se menţionează:

Metodologia de calcul a performanţei energetice a clădirilor, incluzând şi

instalaţiile de producere a căldurii - printre care şi pompele de căldură;

Măsurile necesare aplicării Protocolului de la Kyoto, dintre care cele

referitoare la pompele de căldură sunt:

Reducerea consumurilor energetice din clădiri;

Limitarea emisiilor de CO2;

Utilizarea de sisteme de încălzire şi răcire, alternative celor

actuale, mai economice şi mai puţin poluante – pompele de

căldură fiind menţionate în acest sens.

PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL POMPEI DE CĂLDURĂ CA

MAŞINĂ TERMICĂ

Pompa de căldură este o maşină termică ce preia o cantitate de căldură de la o

sursă de temperatură scăzută şi cedează o cantitate de căldură unei alte surse de

temperatură mai ridicată, consumând pentru aceasta o anumită cantitate de energie.

Energia consumată poate fi de natură diversă: mecanică, electrică, termică, solară, etc.

Principiul de funcţionare a pompei de căldură a fost enunţat încă din anul 1852 de

către William Thomson (lord Kelvin). Acest principiu este identic cu cel al instalaţiilor

frigorifice, cu diferenţa că ciclul de funcţionare al pompei de căldură este situat deasupra

nivelului de temperatură al mediului ambiant.

Fig.1.3 - Principiul de functionare pentru diverse tipuri de masini termice

În figura 1.3 se prezintă în mod schematic principiul de funcţionare

pentru diverse tipuri de maşini termice.

Se numeşte sursă de căldură (sau termostat) un sistem cu capacitatea termică

infinite, care poate ceda sau primi căldură fără ca temperatura să să se modifice. Din

punctul de vedere al pompei de căldură, sursele de căldură între care lucrează aceasta

sunt:

izvorul de căldură - care cedeaza căldura Q0 pompei de căldură

puţul de căldură (sau puţul termic) - reprezentat practic de consumatorul

de căldură către care pompa de căldură cedează căldura Qk

Fig.1.4- Principiul de functionare al pompei de căldură

Eficienţa unei pompe de căldură, funcţionând în regim staţionar şi în

anumite condiţii de temperatură se defineşte ca fiind raportul dintre cantitatea de

căldură cedată consumatorului Qk şi energia W consumată în acest scop. Notaţia

utilizată în termodinamica tehnică pentru această mărime este εpc - pentru a face

distincţia faţă de eficienţa unei maşini frigorifice (notată cu ). În ultimul timp, în

locul noţiunii de "eficienţă a pompei de căldură" se utilizează foarte des sinonimul

"coeficient de performanţă", care se notează cu iniţialele cuvintelor din limba

engleză - COP (Coefficient of Performance).

W

Qk

PC

AGREGATE COMPLEXE DE POMPE DE CĂLDURĂ

Pompa de căldură este o instalaţie termică care parcurge un ciclu

termodinamic inversat (consumă energie de acţionare şi produce efect termic).

Inatalaţia serveşte la transferul căldurii de la un potenţial termic coborât, de

regulă neutilizabil, aflat la o temperatură apropiată de cea a mediului ambiant, la un

potenţial termic mai ridicat, la care căldura poate fi utilizată (fig.1.5).

Sursa rece, la nivelul căreia pompa de căldură preia căldură reprezintă izvorul

pompei de căldură.

Sursa rece, la nivelul căreia pompa de căldură cedează căldură este cuplată la

un consumator de căldură. Circuitul propriu-zis al pompei de căldură

Izvorul de căldură (sursa rece) Consumatorul de caldură

Fig.1.5 – Pompă de căldură

Ridicarea energetică a căldurii de la nivelul izvorului la cel al consumatorului

se realizează cu un consum de energie, energie de acţionare.

Denumirea de pompă de căldură este preluată de la pompa hidraulică prin

similitudinea efectului realizat: pomparea unui lichid de la o înălţime la alta este

înlocuită aici de „pomparea căldurii” de la o temperatură la alta.

Pompa de căldură este, totodată, şi o instalaţie care recuperează căldura –

aceasta valorificâd căldura aflată la un potenţial termic scăzut (căldura deşeu, de

exemplu).

În mod similar cu echipamentele frigorifice, de climatizare sau de cazane, şi

pentru pompele de căldură producătorii specializaţi oferă agregate complexe şi

compacte, care pot fi integrate în sistemele deja existente pentru alimentarea cu

căldură - atât pentru aplicaţiile rezidenţiale, cât şi pentru cele industriale.

Puterea lor termică pentru încălzire în condiţii standard (texterior = 7,5 0C, tinteior

= 21 0C) se poate situa între 4 si 25 kW, fiind totodată prevăzute cu o încălzire electrică

suplimentară pentru casele cu un necesar de căldură de la 10 până la 50 kW.

Aceste pompe de căldură se utilizează în marea lor majoritate în Europa, unde

sistemele de încălzire se bazează, preponderent, pe utilizarea apei ca agent termic.

Evoluţia pompelor de căldură a început prin realizarea pompelor de căldură de

tipul apă-apă, apoi a celor de tipul aer-apă.

S-a avut, totodată, în vedere posibilitatea implementării acestor pompe de

căldură în sisteme bivalente de încălzire - din această cauză, pompele de căldură au

fost gândite fie să preia sarcina de încălzire de bază în decursul întregii perioade de

încălzire (cazul fiuncţionării bivalente-paralele), fie să funcţioneze numai la

temperaturi de peste 0°C (funcţionarea bivalent-alternativă).

în continuare se prezintă diverse tipuri constructive de pompe de căldură - în

construcţie compactă - care sunt disponibile pe piaţa, clasificate după natura sursei şi a

sursei de căldură.

REGIMURI ENERGETICE DE FUNCŢIONARE

Regimul de funcţionare al pompelor de căldură se adaptează sistemului de

distribuţie de căldură existent în clădiri.

Din punct de vedere tehnic se pot diferenţia următoarele regimuri de funcţionare:

- regim de funcţionare monovalent

- regim de funcţionare bivalent

CLASIFICAREA POMPELOR DE CALDURA

Sunt cunoscute mai multe puncte de vedere în conformitate cu care sunt

clasificate instalaţiile de pompe de căldură, o clasificare completă şi riguroasă fiind

foarte dificilă din cauza numeroaselor tipuri constructive şi condiţiilor de funcţionare.

În funcţie de modul de realizare al ciclului de funcţionare, precum şi de

forma energiei de antrenare există următoarele tipuri de pompe de căldură:

1.Pompe de căldură cu comprimare mecanică de vapori sau gaze, prevăzute cu

compresoare cu piston, turbocompresoare, compresoare elicoidale antrenate de

motoare electrice sau termice.

În cazul acestei pompe de căldură este posibilă atingerea unor temperaturi ridicate cu

ajutorul sistemelor în mai multe trepte, dar acestea sunt complexe şi necesită investiţii

mari. Problema cheie constă în găsirea unor fluide capabile să condenseze la

temperaturi peste 120ºC. Utilizarea amestecurilor non-azeotrope poate contribui la

soluţionarea problemei şi permite chiar atingerea unei eficienţe ridicate.

2. Pompe de căldură cu comprimare cinetică, prevăzute cu compresoare cu jet

(ejectoare) şi care utilizează energia cinetică a unui jet de abur. Datorită randamentului

foarte scăzut al ejectoarelor şi al consumului ridicat de abur de antrenare acest tip de

pompe de căldură este din ce în ce mai puţin utilizat.

3. Pompe de căldură cu comprimare termochimică sau cu absorbţie care consumă

energie termică, electrică sau solară. Ele prezintă avantajul de a utiliza căldura

recuperabilă cu un preţ scăzut şi nu prezintă părţi mobile în mişcare.

4. Pompe de căldură termoelectrice bazate pe efectul Peltier şi care consumă energie

electrică.

După puterea instalată pompele de căldură pot fi:

- instalaţii mici: folosite pentru prepararea apei calde sunt realizate în

combinaţie cu frigiderele având o putere de până la 1 KW.

- instalaţii mijlocii: destinate în principal pentru climatizare şi încălzire pe

întreaga durată a anului în locuinţe relativ mici şi birouri. Puterea necesară

acţionării este cuprinsă între 2 până la 20 KW iar puterea termică poate ajunge

până la 100 KW.

- instalaţii mari: pentru condiţionare şi alimentare cu căldură. Aceste instalaţii

sunt cuplate de regulă cu instalaţii de ventilare, de multe ori având şi sarcină

frigorifică servind la răcirea unor spaţii de depozitare sau servind patinoare

artificiale. Puterea de acţionare este cuprinsă între câtiva zeci şi sute de kW iar

puterea termică depăşeşte în general 1000 kW.

- instalaţii foarte mari: folosite în industria chimică, farmaceutică pentru

instalaţii de vaporizare, concentrare, distilare. Puterea termică depăşeşte câteva

mii de kW şi din această cauză sunt acţionate numai de compresoare.

În funcţie de domeniul de utilizare a pompelor de căldură se pot clasifica în:

- Pompe de căldură utilizate pentru încălzirea şi condiţionarea aerului în

clădiri.

Aceste pompe de căldură utilizează aerul atmosferic ca sursă de căldură, fiind

recomandabile în regiunile cu climat temperat.

- Pompe de căldură folosite ca instalaţii frigorigice şi pentru alimentarea cu

căldură.

Aceste pompe de căldură sunt utilizate succesiv pentru răcire în timpul verii şi

pentru încălzire în timpul iernii.

- Pompe de căldură folosite ca termocompresoare.

Acestea sunt utilizate în domeniul instalaţiilor de distilare, rectificare, congelare,

uscare, etc.

- Pompe de căldură utilizate în industria alimentară ca termocompresoare

precum şi în scopuri de condiţionare a aerului sau tratare a acestuia în cazul

întreprinderilor de produse zaharoase, respectiv cel al antrepozitelor frigorifice

de carne.

După felul surselor de căldură utilizate pompele de căldură pot fi:

- aer-aer: au ca sursă de căldură aerul atmosferic şi folosesc aerul ca agent

purtător de căldură în clădirile în care sunt montate. La acest tip de instalaţii

inversarea ciclului este deosebit de uşoară astfel în sezonul rece instalaţia este

utilizată pentru încălzire iar în sezonul cald pentru condiţionare.

- apă-aer: folosesc ca sursă de căldură apa de suprafaţă sau de adâncime, apa

caldă evacuată din industrie, agentul purtător de căldură fiind aerul.

- sol-aer: folosesc ca sursă de căldură solul iar agentul purtător de căldură este

aerul.

- soare-aer: folosesc ca sursă de căldură energia termică provenirtă de la soare

prin radiaţie iar agentul purtător de căldură este aerul.

- aer-apă: folosesc ca sursă de căldură aerul iar ca agent purtător de căldură apa.

- apă-apă: folosesc ca sursă de căldură apal iar ca agent purtător de căldură tot

apa.

- sol-apă: folosesc ca sursă de căldură solul iar ca agent purtător de căldură apa.

- soare-apă: folosesc ca sursă de căldură radiaţia solară iar ca agent purtător de

căldură apa .

Pompe de căldură pentru utilizări casnice

Pompele de căldură pentru încălzirea şi răcirea clădirilor pot fi împărţite în patru

mari categorii, în raport cu funcţiile lor:

- Pompe de căldură numai pentru încălzire (acestea realizează numai încălzirea

spaţiilor şi/sau a apei calde menajere).

- Pompe de căldură pentru încălzire şi răcire (acestea realizează atât încălzirea

cât şi răcirea spaţiilor). Cea mai des întâlnită este pompa de căldură reversibilă

aer-aer, care poate funcţiona fie pentru încălzire, fie pentru răcire. Pompele de

căldură de dimensiuni mari din clădirile comerciale sau administrative utilizează

apa pentru distribuţia căldurii şi a frigului, iar furnizarea acestora se realizează

simultan.

- Sisteme integrate de pompe de căldură (acestea realizează încălzirea şi răcirea

spaţiilor, încălzirea apei calde menajere şi uneori recuperarea căldurii din aerul

evacuat). Încălzirea apei menajere se poate face fie numai prin de-

supraîncălzirea vaporilor, fie prin de-supraîncălzirea şi condensarea vaporilor.

Cea de-a doua variantă permite producerea apei calde menajere atunci cănd nu

este necesară încălzirea sau răcirea spaţiilor.

- Pompe de căldură pentru încălzirea apei calde menajere (destinate în

totalitate pregătirii apei calde menajere). Acestea pot fi de tipul aer-apă sau apă-

apă şi utilizează ca sursă de căldură : aerul din imediata apropiere, aerul evacuat

de către instalaţia de climatizare căldură de de-supraîncălzire.

V.1.1 POMPELE DE CĂLDURĂ DE TIPUL AER-AER : au ca sursă de căldură

aerul atmosferic, iar ca agent purtător de căldură (la consumator) utilizează tot

aerul.

La acest tip de instalaţii inversarea ciclului este deosebit de uşoară astfel în

sezonul rece instalaţia este utilizată pentru încălzire iar în sezonul cald pentru

condiţionare.

Pompele termice de acest fel sunt extrem de răspândite fiind, de obicei,

integrate în sistemele de climatizare reversibile care sunt capabile să realizeze atât

răcirea aerului pe timpul verii cât şi încălzirea acestuia în perioada mai rece (în special

primăvara, toamna şi în zilele mai "blânde de iarnă").

Ultimele realizări în domeniu ne demonstrează că, se poate recupera energie din

aer pana la temperaturi de -20°C. Ciclul lor de funcţionare cel mai des întâlnit, este cel

cu comprimare mecanică de vapori, cu electrocompresor. De cele mai multe ori se

prezintă în varianta constructivă tip "split", cu o unitate exterioară şi cu una sau mai

multe unităţi interioare.

Unitatea exterioara cuprinde (de regulă): un schimbător de căldură cu ţevi şi

aripioare, un compresor, un ventilator, aparatura de reglare şi comandă - toate în

interiorul unei carcase rezistente la condiţii atmosferice defavorabile (fig.1.6).

Unitatea interioară cuprinde (de regulă): un schimbator de căldură, un robinet

de laminare, un ventilator, un filtru de aer, o pompa de condensat (care funcţionează în

special vara), un umidificator, încălzire electrică suplimentară (eventual), aparatura de

reglare şi comandă. unitatea exterioară şi cea interioară sunt conectate prin intermediul

unor conducte (de obicei din cupru), izolate termic. în funcţie de posibilitaţile practice

de montaj, între unitatea exterioară şi cea interioară distanţa este de 5-15 m.

schimbătorul de căldură din unitatea exterioară are rolul de condensator în perioada de

răcire şi de vaporizator în perioada de încălzire; schimbătorul de căldură din unitatea

interioară are rolul de vaporizator în perioada de răcire şi de condensator în perioada de

încălzire.

Fig.1.6 – Pompă de căldură aer-aer (1)

Agentul termic de lucru este de cele mai multe ori unul din categoria freonilor,

şi încărcarea agregatului cu acesta se face direct din fabrică.

In general, toate firmele producătoare de echipamente de climatizare oferă şi

varianta de echipament capabilă să funcţioneze ca pompă de căldură, acest lucru

permiţând lărgirea pieţei de desfacere.

Fig.1.6 – Pompă de căldură aer-aer (2)

V.1.2 POMPELE DE CĂLDURĂ DE TIPUL AER-APĂ : au ca sursă

de căldură aerul atmosferic iar ca agent purtător de căldură (la consumator)

utilizează apa.

Această variantă de pompă de căldura extrage energia solară, înmagazinată sub

formă de căldură, din aerul exterior pe care o introduce în circuitul pentru încălzirea

locuinţei.

În prezent această pompă de căldură poate fi utilizată pe durata întregului

an, în clădiri construite conform standardelor în vigoare, în combinaţie cu o

rezistenţă electrică.

Sursa de căldură aer, este foarte uşor de obţinut şi este disponibilă peste tot, în

cantităţi nelimitate. Prin aer, se înţelege în acest context, utilizarea aerului din

exterior.

Cantitatea necesară de aer este dirijată de către un ventilator încorporat în

aparat iar api este trimis prin canale de aer, către vaporizator, care extrage îi extrage căldura.

Ciclul de funcţionare este de cele mai multe ori cel bazat pe comprimarea mecanica de vapori,

cu electro-compresor.

În construcţia acestora se întâlneşte un schimbătorul de căldură de obicei cu

fascicol de ţevi (multitubular), care are rolul de vaporizator (la funcţionarea în regim de

pompă de căldură) sau de condensator (la funcţionarea în regim de maşină frigorifică).

Pentru limitarea pericolului de îngheţ, apa circulă la exteriorul ţevilor, iar

agentul termic de lucru la interiorul acestora.

În cazul utilajelor de bună calitate, sunt folosite materiale rezistente la

coroziune (chiar gândite pentru utilizarea apei de mare), de genul alamelor speciale, a

aliajelor pe baza de cupru-nichel sau al oţelurilor inoxidabile.

Un alt element caracteristic este robinetul de reglaj pe partea apei, care - la

funcţionarea în regim de pompă de căldură - se deschide progresiv cu cât apa este mai

rece, în timp ce, la funcţionarea, în regim de maşină frigorifică se deschide din ce în ce

mai mult cu cât apa de răcire (necesară pentru condensarea vaporilor de agent termic

de lucru) este mai caldă.

Agregatul mai cuprinde, bineînţeles, şi aparatele necesare pentru prepararea

aerului, deci schimbătoare de căldură, ventilatoare şi filtre.

Aceste pompe de căldură de tipul apă-aer se pot prezenta fie în varianta

constructivă "dulap", fie "split".

Puterea termică, performanţele tehnice precum şi dimensiunile acestoradepind

de firma producătoare.

Circuitul propriu-zis al pompei de căldură (cu agent frigorific)

Izvorul de căldură (sursa rece) Circuitul agentului termic (apa)

Fig.1.7 – Schema de principiu a pompei de căldură aer-apă

Fig. 1.8 - Pompă de căldură aer-apa cu modulul de aer in interior

Fig. 1.9 - Pompă de căldură aer-apa cu modulul de aer in exterior

Cu toate ca pompă de căldură aer–apa are cel mai scăzut COP dintre toate

pompele de căldură la care facem referire, aceasta este, alături de pompă de căldură

sol-apa, una dintre cele mai vândute Pompă de căldură din Europa.

Sistemul aer-apa este un sistem relativ simplu de montat si nu necesita lucrări

speciale de amenajare ( săpături, foraje, etc.)

Dezavantajul major al sistemului este faptul ca nu poate funcţiona monovalent

la temperaturi foarte scăzute (începând de la cca.-15ºC).

Aceste pompă de căldură pot funcţiona bivalent - paralel monoenergetic prin

folosirea unei rezistente electrice care intra in funcţiune la temperaturi foarte scăzute (

sub -15º C). Datorita acestui fapt puterea de încălzire este limitata.

V.1.3 POMPELE DE CĂLDURĂ DE TIPUL APĂ-APĂ (care mai poartă

denumirea şi de „SISTEME DE CAPTARE A ENERGIEI DIN APĂ – CU

BUCLĂ ÎNCHISĂ” : au ca sursă de căldură apa, iar ca agent purtător de

căldură (la consumator) utilizează tot apa.

Transferul de căldură mult mai bun la lichide, variaţia mai redusă a

temperaturii şi potenţialul termic mai ridicat fac, ca acest sistem de căldură să fie

utilizat în instalaţiile de mare putere termică.

Ciclul de funcţionare este de cele mai multe ori cel bazat pe comprimarea

mecanică de vaporilor cu electro-compresorul. Agregatele compacte sunt introduse în

carcase metalice, şi au puteri termice cuprinse între 10 si 100 kW.

În construcţia lor sunt incluse circuitul agentului termic de lucru, pompa de

circulaţie pentru apă de încălzire, un vas de expansiune precum si aparatura de reglare

şi comandă.

Aceste agregate utilizează fie apa freatică drept sursa de căldură - şi atunci ele

sunt gândite pentru o temperatura la intrare a apei de circa 10 0C, sau pot utiliza chiar

şi o soluţie (de cele mai multe ori o solutie glicol-apă) - în acest caz temperatura

soluţiei la intrare poate atinge -50C.

Agentul termic de lucru este (de cele mai multe ori) din categoria freonilor.

Temperatura apei care pleacă spre consumatorul de căldură poate atinge valori de până

20°C. Reglajul de putere poate fi realizat şi prin utilizarea a două compresoare.

Pompele de căldură de tipul apă-apă pot fi exploatate chiar în regim de

funcţionare monovalent atunci când este utilizată apa freatică drept sursă de căldură se

găseşte în cantităţi suficiente.

De cele mai multe ori se recomandă însă funcţionarea în regim bivalent, chiar

cuplat cu un acumulator de căldură, în scopul menţinerii unei rezerve suficiente de apă

freatică şi al atingerii unor perioade cât mai îndelungate de lucru ale compresorului.

pentru încălzirea suplimentară a apei se pot folosi cazane ce funcţionează pe baza de

gaz lichefiat.

Fig.1.10 – Schema de principiu a pompei de căldură apă-apă (1)

Circuitul propriu-zis al pompei de căldură (cu agent frigorific)

Circuitul agentului intermediar Circuitul agentului termic (apa)

Circuitul propriu-zis al pompei de căldură

Fig.1.11 – Schema de principiu a pompei de căldură apă-apă (2)

Fig.1.12 – Pompă de căldură apă-apă

Sistemul apa-apa este numit si sistem de captare cu bucla deschisa. Viteza de

curgere a apei prin vaporizator nu trebuie sa depăşească 0,8m/s.

Apa freatică este un bun acumulator pentru căldura solară, care chiar şi în

zilele reci de iarnă se menţine o temperatură constantă, de 7 până la 12 °C.

Datorită nivelului de temperatură constant al sursei de

căldură, indicele de putere al pompei de căldură se menţine ridicat de-a lungul

întregului an.

Se poate spune că, pompa de căldură apa-apa este pompa care poate realiza cel

mai ridicat COP dintre toate.

Un astfel de sistem apa-apa poate ajunge uşor la un COP = 5 si chiar îl poate

depăşi daca este bine realizat si corect dimensionat. De asemenea, poat furniza puteri

impresionante ajungând la mii de kW, pe o singura unitate sau cuplând mai multe

unităţi de putere mai mica.

Cu toate acestea, pana la ora actuala, cel puţin in Europa, nu este cea mai

răspândita pompă de căldură.

Motivele sunt mai multe:

calitatea apei trebuie sa îndeplinească practic calitatea apei potabile;

apa extrasa din straturile freatice trebuie reinjectata in sol (puţul de injecţie

trebuie sa fie amplasat la min. 15 m in aval fata de direcţia de curgere a apei in

pânza freatica)

pentru fiecare kW termic instalat este necesar un volum minim de apa de

160litri/ora, adică 0.16mc/ora (la min 8 0C), debitul trebuind asigurat in orice

moment de puţul de extracţie;.

in UE exista reglementari foarte stricte privind acest gen de foraje.

V.1.4 POMPELE DE CĂLDURĂ DE TIPUL SOL-APĂ (care mai poartă

denumirea şi de „CAPTATOR DE CĂLDURĂ” sau „SISTEME DE CAPTARE

A ENERGIEI DIN SOL – CU BUCLĂ ÎNCHISĂ” ): au ca sursă de căldură

energia captată în sol (şi care este transportată la pompa termică printr-un agent

intermediar care poate fi o soluţie glicolată sau chiar apa) iar ca agent purtător de

căldură (la consumator) utilizează apa.

Pompa de căldură în varianta sol apă utilizează energia solară, stocată în sol.

Solul captează energia solară, fie direct prin radiaţie, fie sub formă de căldură

proveniră de la ploaie şi din aer.

Solul înmagazinează şi menţine căldura pe o perioadă mai lungă de timp

ceea ce conduce la un nivel de temperatură al sursei de căldură aproximativ constant

de-a lungul unui an facilitând funcţionarea pompelor de căldură cu un COP ridicat.

Căldura acumulată în sol se preia prin schimbătoare de căldură montate

orizontal, numite şi colectori pentru sol, sau prin schimbătoare de căldură montate

vertical aşa numite sonde pentru sol.

Aceste instalaţii funcţionează de regulă în regim monovalent şi se

utilizează aproximativ la fel cu cele care extrag căldură din apa freatică

deoarece sondele şi schimbătoarele de căldură se vor monta cât mai aproape de

suprafaţa pânzei freatice.

Montarea sondelor şi a schimbătoarelor de căldură la un nivel inferior pânzei

freatice nu se aprobă de obicei, deoarece nu se poate preveni avarierea orizontului apei

freatice.

Astfel se va proteja apa potabilă aflată la un nivel inferior.

Aşadar, aceste instalaţii sunt foarte asemănătoare cu pompele de căldură de

tipul apă-apă.

Între sursa de căldură - solul sau "captatorul de căldură" - şi agregatul

compact al pompei de căldură există un circuit un agent intermediar, cu punct de

congelare scăzut.

Datorita temperaturilor scăzute de funcţionare pentru agentul intermediar ( de -

5 °c până la - 10 °c) şi a vâscozitaţii ridicate, pierderile de sarcina pe circuitul agentului

intermediar sunt de aproximativ două ori mai mari decât în cazul temperaturilor

pozitive de regim.

Circuitul propriu-zis al pompei de căldură

Circuitcu agent intermediar Circuitul agentului termic (apa)

Fig.1.13 – Schema de principiu a pompei de căldură sol-apă (1)

Răcirea agentului intermediar se face cu numai 2 sau 3 K, deci aproximativ

jumătate din valoarea admisibilă pentru apă.

Din acest motiv, trebuie acordată o deosebită atentie dimensionării

corespunzătoare a sectiunilor de curgere, cu scopul obţinerii unor valori reduse ale

pierderilor de sarcină.

"Captatoarele de căldură" pentru acest tip de pompe de căldură se realizează

de obicei sub forma unor elemente arhitecturale - garduri, pereţi însoriţi de locuinţă sau

de garaj, uneori chiar piese care par să aibă doar rol estetic - şi care sunt armonios

integrate în ansamblul arhitectonic general.

Pompa de căldură sol-apă este o pompă de căldură foarte răspândita

comparativ cu cea apa-apa si are ca "sursa rece" căldura solara acumulata in straturile

superioare ale Pamatului.

Practica a demonstrat şi teoria a confirmat, că începând de la o anumita

distanţă în sol (cca.15 m), temperatura rămâne relativ constantă, cu fiecare 30 m în

adâncime temperatura crescând doar cu cca. un 10 C.

Daca suntem interesaţi doar de straturile superficiale, până la adâncimea de

max. 200-250 m, putem vorbi de o temperatura cuprinsa intre 8-16 0C.

Pentru o pompă de căldură sol-apă aceasta temperatura este ideala pentru

producerea energiei termice.

Pompă de căldură poate funcţiona doar daca temperatura "sursei reci" (deci a

solului) nu depăşeşte 28-30 0 C (cea minima fiind in jur de 8

0C. Peste aceasta

temperatura pompă termică sol - apă şi, în general orice pompă de căldură, nu mai

poate fi utilizata. Acelaşi lucru este valabil si la temperaturi mai mici de cca. 8 0C.

Căldura necesara funcţionarii acestor instalaţii se extrage doar din straturile

superioare (care sunt încălzite, de fapt, de la Soare) si, aşa cum s-a specificat,

temperatura la care se folosesc pompele de căldură sol-apa este cuprinsă între cca. 8 0C

şi 30 0C.

Folosirea pompei de căldură în cooperare cu izvoare geotermale de mare

adâncime, ce au temperaturi de mii de grade C0

(aceste izvoare numindu-se si" izvoare

de roca fierbinte") este posibila doar după ce acestea din urma au pierdut potenţialul si

au ajuns la temperaturi compatibile cu funcţionarea unei pompă de căldură.

Schema de principiu a unei instalaţii de recuperare a căldurii din straturile de

mare adâncime (roca fierbinte) ale Pamatului şi transformarea acesteia în energie

electrică şi energie termică este ilustrată în cele ce urmează:

1.14 - Schema de principiu a unei instalaţii de recuperare a căldurii din

straturile de mare adâncime (roca fierbinte)

Precizările de mai sus au fost făcute in scopul evitării confuziilor care apar de

obicei in discuţii legate de căldura geotermala a Pamatului.

Lucrurile se vor putea uşor lamuri daca se face precizarea de la început despre

ce straturi ale Pamatului vorbim: despre straturile superioare (max. 250 m) sau despre

straturile inferioare (mii de km).

In straturile superficiale ale Pământului gradientul de temperatură este

următorul:

În straturile superioare ale pământului, temperatura variază în funcţie de

anotimp (atunci când acestea coboară sub punctulde îngheţ variaţiile sunt mult mai

reduse).

1.15 - Gradientul de temperatură în straturile superficiale ale Pământului

Captarea energiei de la „sursa rece” de către pompa de căldură sol-apă se

poate realiza,aşadar:

cu captatoare orizontale (plane ) - îngropate la cca. 1-1,5 m (se mai pot

folosi captatoare sub forma de spirala numite şi «kunette»);

cu captatoare verticale (sonde de adâncime) - ce pot ajunge de la 50 la

100m (in cazuri speciale pot ajunge si la 250m);

cu vaporizare directa dispusa in captatoare plane din cupru;

Sistemele de captare din sol mai sunt numite si sisteme cu "bucla închisă".

V.1.4.1 Pompa de căldură sol-apă cu captatoare plane (orizontale)

Un astfel de sistem se poate folosi în situaţia în care se dispune de spaţiu

suficient în jurul obiectivului pe care dorim sa-l încălzim cu o pompă de căldură.

Necesarul de spaţiu exterior este cca. dublu fata de suprafaţa locuibila încălzita

(la o înălţime de max. 3m). Spaţiul se micşorează proporţional cu îmbunătăţirea

caracteristicilot termotehnice ale anvelopei clădirii.

De exemplu, pentru o clădire de 200 mp a cărei izolaţie exterioara este clasica

(nu conţine elemente speciale de izolaţie cum ar fi: izolaţie exterioara cu polistiren,

geamuri uşi termoizolante, etc.) este necesar un spaţiu exterior pentru captatoarele

plane de cca. 400mp.

Aceeaşi clădire cu izolaţia îmbunătăţita poate avea un necesar de spaţiu pt.

captatoare de 300 mp sau chiar mai mic in cazul realizării unei “case eficiente” (casa

cu consum redus de energie).

La dimensionarea captatoarelor plane se tine cont bineînţeles si de calitatea

solului şi, în special, de conductivitatea termică a diferitelor categorii de soluri în care

sa por monta captatorii orizontali (nu se pot amplasa asemenea sisteme pe sol stâncos).

Fig. 1.16 - Pompă de căldură sol-apă cu cu captatoare orizontale (plane)

Fig.1.17- Amplasarea captatoarelor plane ân pământ (1)

Fig.1.18- Amplasarea captatoarelor plane în pământ (2)

Materialul din care sunt realizate captatoarele este polietilena. Circuitul se

îngroapă la 1-1.5m in sol, suprafaţa de pământ superioara captatoarelor puţind fi

cultivata.

Circuitul captatoarelor este umplut cu soluţie antigel (glicol) pentru a se evita

givrarea sistemului.

Avantajele sistemului: fiabil, COP relativ ridicat.

Dezavantajul principal al sistemului se referă la suprafaţa, relativ mare de teren

necesară amplasării unui colector (precum şi faptul că, acest colector nu poate fi

amplasat în orice categorie de sol) şi investiţia iniţială ridicată.

V.1.4.2 Pompa de căldură sol-apă cu sonde de adâncime (captatoare

verticale)

Datorită suprafeţei mari necesare pentru montarea colectorilor orizontali pentru

sol, este dificila realizarea chiar şi în cazul locuinţelor noi din motive de spaţiu. În

special în oraşele aglomerate, cu suprafeţe foarte mici spaţiul este limitat. Din acest

motiv, în prezent, se montează cu preponderenţă sonde verticale de căldură pentru sol,

care se pot introduce la adâncime de 50 până la 150m. O astfel de instalaţie este

prezentată în figura 5.13

Sistemul cu sonde verticale are acelaşi principiu la baza cu cel al captatoarelor

plane. Sistemul se pretează acolo unde nu dispunem de spaţiu suficient in jurul

construcţiei.

La dimensionarea sondelor se tine cont si de calitatea solului. Practic, daca nu

exista prevederi legale speciale, forajele se pot executa până la 250 m.

In general sondele de adâncime se forează la100m iar in cazul ca nu sunt

condiţii la 50m.

Fig. 1.19- Pompă de căldură sol-apă cu cu captatoare verticale

Distanta dintre sonde este de minim 5m.

De regulă se montează patru tuburi paralele, (sondă cu tub dublu cu profil U).

Apa sărată curge în jos din distribuitor în două tuburi şi este recirculată în sus, prin

celelalte două tuburi spre colector. Toate golurile dintre tuburi se vor umple cu un

material termoconductor numit betonit. O astfel de sondă este prezentată in figura 5.14

Fig.1.20- Sondă de adâncime cu tub dublu şi profil U

O altă variantă este formata din tuburi coaxiale cu un tub interior din material

plastic pentru alimentare şi un tub exterior din material plastic pentru recircularea apei

sărate (fig.5.15).

Fig.1.21- Sondă de adâncime cu tub uri coaxiale

Ca avantaje: fiabilitate ridicata, nu ocupa spaţiu mare, COP ridicat (având in

vedere ca "sursa rece" este mai" calda" ca in cazul captatoarelor plane), nu necesita

aprobări speciale de mediu. Dezavantaje: investiţie mai mare, necesita utilaje speciale,

personal bine pregătit in execuţia lucrării.

Sondele de căldură pentru sol se montează în funcţie de model, cu utilaje de

foraj.

Fig.1.22 - Utilaj de foraj (1)

În acele regiuni cu soluri ce por fi uşor forate sondele din polietilenă sunt puse

în operă cu ajutorul unor instalaţii de foraj cu spălare cu apă. Pentru aceasta se

utilizează o sapă de foraj cu diametrul de cel puţin 90mm. Apa este pompată cu mare

presiune prin aceasta sapă de foraj şi aduce la suprafaţă materialul dislocat. Materialul

dislocat este depozitat într-o groapă în apropierea forajului. Apa în exces este preluată

de la partea superioară a acestei gropi şi reutilizată în procesul de forare. În momentul

atingerii adâncimii de foraj prevăzute se introduce în gaura de foraj o sondă deja

pregătită verificată la presiune şi plină cu apă. Apoi sonda de foraj este ridicată şi

demontată bucată cu bucată.

Fig.1.23- Utilaj de foraj (2)

În final gaura forată se umple din nou cu pământ. Ca material de umplere se

poate folosi betonitul.

Dacă în timpul forajului au fost perforate straturile impermeabile, acestea

trebuiesc refăcute la umplere. Pentru procedeul mai sus amintit costurile estimate

pentru condiţii geologice forabile sunt apreciate la 35-40$ pe fiecare metru de sondă.

Aceste costuri sunt însă puternic dependente de structura subsolului şi de

procedeul de foraj utilizat.

Pentru aceste tipuri de instalaţii este necesară o aprobare de la organele

competente.

Numeroase instalaţii cu pompe pentru sonde de căldură, pentru sol funcţionează

de mulţi ani fără a prezenta vreo defecţiune şi sunt preferate de utilizatori. Conform

măsurătorilor efectuate în condiţii hidrogeologice bune, mai ales în cazul în care există

apă freatică curgătoare, este posibilă funcţionarea monovalentă a pompelor de căldură

fără răcirea pe timp îndelungat a solului.

Premisa pentru proiectarea şi montarea sondelor de căldură pentru sol o

reprezintă :

cunoaşterea exactă a caracteristicilor solului

modului de aşezare a straturilor

rezistenţa mecanică a solului

existenţa apei subterane, cu stabilirea nivelului acesteia şi a direcţiei de

curgere.

V.1.4.3 Pompa de căldură sol-apă cu vaporizare directă

Are acelaşi principiu de funcţionare ca şi pompa de căldură in varianta sol-apă

cu captatori plani deosebirea constând în faptul că circuitul secundar de antigel este

înlocuit de agentul primar al pompei de căldură

.

Circuitul propriu-zis al pompei de căldură) Circuitul agentului termic (apa)

Fig.1.24 - Schema de principiu a pompei de caldură sol-apa cu vaporizare

directă în sol

Aşadar, la sistemul cu vaporizare directa nu mai exista un circuit separat de

captare, circuitul agentului frigorific având rolul de circuit de captare, fiind îngropat

direct in sol, devenind captatorul "sursei reci".

Acest circuit "direct" este realizat din ţeava de cupru fără suduri si cu un

manşon de protecţie din polietilena. Circuitul se îngroapă la cca. 1-1,5m si se aşează pe

un pat de nisip.

Avantajele acestui sistem sunt: COP foarte ridicat, fiabilitate mai mare fata de

sistemul cu captatoare plane, se micşorează suprafaţa ocupata de captatoare fata de

sistemul cu captatoare plane.

Dezavantaje: este limitata plaja de putere (astfel de sisteme in momentul actual

nu depăşesc 30-50kW). Ca si in cazul captatoarelor plane la dimensionare se tine cont

de calitatea solului. Un sistem cu totul original si cu avantaje suplimentare in

funcţionare, este sistemul NEURA care are un schimbător de căldura intermediar, un

sistem electronic de reglare a turaţiei compresorului funcţie de sarcina, iar agentul

frigorific R407C este înlocuit cu gaz lichefiat (propan – R290). Prin dimensionarea

adecvata a compresorului se obţine un sistem cu performanta foarte ridicata si cu un

înalt grad de fiabilitate. O consecinţa directa a acestor avantaje este reducerea spaţiului

necesar captării cu cca. 15-20% şi, implicit, mărirea plajei de putere.

Funcţionarea lina a compresorului măreşte substanţial durata de funcţionare si

duce la creşterea randamentului pompei de căldură.

Aceste sisteme depăşesc orice aşteptări ajungând la un COP aproape de 7 cu

funcţionarea in regim de turaţie redusa si ecart minim de temperatura.

Fig.1.25 - Schema de principiu a pompei de caldură sol-apa cu vaporizare

directă în sol (cu schimbător de căldură intermediar – sistem NEURA)

Fig.1.26 - Pompă de caldură sol-apa cu vaporizare directă în sol (cu

schimbător de căldură intermediar – sistem NEURA)

Un avantaj major al sistemului NEURA este ăi faptul că pompă de căldură este

amplasata in exteriorul casei intr-o cutie speciala din fibra. Nu ocupa spaţiu, nu

produce zgomot.

V.2 CONCLUZII

Dezvoltarea pompelor de căldură din ultimii ani, cu agenţi frigorifici noi,

schimbătoare de căldură şi modele avansate constructive la compresoare a condus la

ridicarea substanţială a coeficientului de performanţă în aceleaşi condiţii de

funcţionare.

La aceasta se adaugă şi o optimizare a tehnicii instalaţiilor şi a surselor de

căldură cât şi o asigurare a calităţii prin norme speciale pentru pompele de căldură.

Astfel pompele de căldură nu economisesc doar energia primară ci reduc şi

emisiile de CO2 din atmosferă.

În România pompele de căldură ca sisteme de încălzire sunt aproape

necunoscute.

În acest context, specialiştii depun eforturi susţinute pentru popularizarea

acestora şi familiarizarea potenţialilor beneficiari cu noţiunea de eficienţă energetică şi

energie ecologică.

Specific pentru proiectarea unui sistem de încălzire/climatizare/preparare apă

caldă de consum/ventilaţie cu pompă de căldură, este alegerea pentru fiecare obiectiv,

în parte, a tipului şi modelului în funcţie de datele obiectivului şi opţiunile

beneficiarului.