Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

140
1. Introducere Foarte mulţi ani lumea întreagă a utilizat energia ca şi cum a dispus de mai multă de câtă avea nevoie. Oamenii de ştiinţă au simţit însă nevoia de a căuta noi surse de energie, căi de a obţine o energie mai ieftină sau căi de a o utiliza în aşa fel încât să uşureze şi să facă mai plăcută munca în orice domeniu de activitate. În ultimul secol a crescut nu numai consumul de energie pe locuitor in întreaga lume, ci şi numărul de locuitori care utilizează energia sub diferite forme. Consumul de energie a crescut anual şi in felul acesta ne vom găsi foarte curând în situaţia de a epuiza sursele clasice de energie şi de aceea trebuie încă de acum depuse eforturi pentru conservarea energiei. Acest lucru este necesar pentru a avea timp să dezvoltam noile surse de energie cum ar fi : energia geotermică , energia eoliană , energia mareelor, energia solară, etc. Este necesară de asemenea, dezvoltarea noilor tehnologii energetice care se referă la soluţiile tehnice neconvenţionale de conversie, stocare, transport, utilizare si recuperare a energiei . Scopul urmărit prin conservarea energiei este realizarea dezvoltării economice si sociale , cu un consum 1

description

Incalzirea si prepararea apei calde unei locuinte unifaniale cu 4 camere folosind pomepele de caldura

Transcript of Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Page 1: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

1. Introducere

Foarte mulţi ani lumea întreagă a utilizat energia ca şi cum a dispus de mai multă

de câtă avea nevoie. Oamenii de ştiinţă au simţit însă nevoia de a căuta noi surse de

energie, căi de a obţine o energie mai ieftină sau căi de a o utiliza în aşa fel încât să

uşureze şi să facă mai plăcută munca în orice domeniu de activitate.

În ultimul secol a crescut nu numai consumul de energie pe locuitor in întreaga

lume, ci şi numărul de locuitori care utilizează energia sub diferite forme.

Consumul de energie a crescut anual şi in felul acesta ne vom găsi foarte curând

în situaţia de a epuiza sursele clasice de energie şi de aceea trebuie încă de acum depuse

eforturi pentru conservarea energiei. Acest lucru este necesar pentru a avea timp să

dezvoltam noile surse de energie cum ar fi : energia geotermică , energia eoliană , energia

mareelor, energia solară, etc. Este necesară de asemenea, dezvoltarea noilor tehnologii

energetice care se referă la soluţiile tehnice neconvenţionale de conversie, stocare,

transport, utilizare si recuperare a energiei .

Scopul urmărit prin conservarea energiei este realizarea dezvoltării economice si

sociale , cu un consum minim total de energie. Principalele direcţii în care trebuie sa

acţioneze conservarea energiei sunt următoarele :

- “ a consuma mai puţin “ , prin schimbări în structura consumului;

- “ a consuma mai eficient “ , prin îmbunătăţirea randamentelor de utilizare a

energiei ;

- “ a consuma altceva “ , prin substituirea unor resurse energetice preţioase , mai

puţin abundente , cum ar fi petrolul sau gazele naturale , cu resurse energetice noi ,

inepuizabile.

Acest lucru poate fi obţinut si prin utilizarea unor metode cunoscute , ca

îmbunătăţirea izolaţiei construcţiilor , extinderea termoficării si a utilizării pompelor de

căldură.

1

Page 2: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Cu toate că aceste direcţii reprezintă un pas spre definirea corectă a noţiunii de

conservare a energiei , sunt totuşi insuficiente.

De exemplu , “a consuma altceva “ nu înseamnă a înlocui consumul de petrol sau

gaze naturale cu combustibili sintetici a căror producere necesita un consum mare de

energie.

A folosi , de asemenea , încălzirea electrica fără a extinde termoficarea sau

pompele de căldură , reprezintă o soluţie mai puţin eficienta de utilizare a energiei .

Este cunoscut faptul că circa 50% din consumul actual de energie este datorat

proceselor de joasă temperatură , cum ar fi procesele de încălzire, procesele industriale de

uscare, distilare etc. , care au randament de utilizare a energiei foarte scăzut.

Procesele de încălzire sunt desigur cele mai dezavantajoase dintre toate procesele

termodinamice . Teoretic , energia consumată pentru încălzirea unei incinte poate fi

redusă oricât de mult prin măsuri de izolare termica si recuperare a căldurii dar , practic

acest lucru nu este posibil in totalitate.

Trebuie spus de la început că pompa de căldură nu reprezintă o noutate. Este

foarte adevărat faptul ca principiul acesteia este cunoscut

de aproape 130 de ani si că s-a vorbit despre ea multor generaţii de studenţi dar , numai

de curând, datorită schimbărilor intervenite în balanţa energetică a omenirii , aceasta a

revenit în centrul atenţiei publice. În ultimii ani au fost obţinute progrese remarcabile în

acest domeniu si cred că este interesant să aruncăm o privire asupra diferitelor posibilităţi

de utilizare a pompei de căldură , aşa cum se prezintă ea astăzi .

Pompele de căldură sunt utilaje moderne care se utilizează în ultimul timp ca o

alternativă la centralele termice pe hidrocarburi, având însă o eficienţă cu 50-80% mai

mare.

Ele sunt utilaje mecanice acţionate electric şi oferă posibilităţi tehnice de

economisire a energiei, în consecinţă şi cu îmbunătăţirea protecţiei mediului înconjurător,

prin reducerea emisiilor de noxe (CO2,NO), folosind aproximativ 75% din energia

necesară pentru încălzire (climatizare) din mediul exterior, iar pentru restul, utilizează

energia electrică.

2

Page 3: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

2. Principiul pompei de caldura

Pentru a transmite caldura de la o sursa de joasa temperatura (sursa rece ) catre un

mediu in care temperatura este mai ridicata (sursa calda ) este sa se consume o anumita

cantitate de energie .

Aceasta necessitate , constatata experimental , a fost considerate drept al doilea

principiu al termodinamicii , formulat cu multi ani in urma de Clausius .

Pompele de caldura sunt sisteme care permit realizarea unui astfel de transfer de

caldura , de la sursa rece catre sursa calda , termenul de pompa de caldura sugerand o

analogie cu o pompa hidraulica ce deplaseaza un fluid de jos in sus .

Fenomenul utilizat in acest scop se bazeaza pe faptul ca un fluid care se afla la o

presiune ridicata se evapora la o temperatura mai mare decat un fluid care se gaseste la o

presiune coborata .

3

Page 4: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

In figura 1 sunt prezentate doua camere conectate printr-un tub tub in care se poate

deplasa , ca un piston , un vas cu apa , de la stanga la dreapta si invers , cu pastrarea

etansietatii intre cele doua camere. Camera din stanga se gaseste la presiunea atmosferica

iar cea din dreapta la o presiune mai mica(vid partial). Daca se da o cantitate de caldura

apei din vas in camera din dreapta , apa se va evapora inainte de a ajunge la temperatura

de 100˚C (presiunea fiind mai coborata decat presiunea atmosferica ).

In momentul in care vasul continand vapori se deplaseaza in camera din stanga ,

vaporii vor condensa instantaneu , intrucat aici presiunea este mai ridicata. In acest

moment , prin condensare se cedeaza o cantitate de caldura care reprezinta o mare parte

din caldura preluata in camera din dreapa. Nu va fi regasita niciodata intreaga cantitate de

caldura primita , intrucat o anumita energie trebuia consumata pentru a deplasa vasul

dintr-o camera in alta.

Pompa de caldura realizeaza transferul unei anumite cantitati de caldura dintr-un

mediu unde aceasta este disponibila gratuit sau foarte ieftina , dar la o temperatura prea

coborata pentru a permite utilizarea ei directa , intr-un alt mediu cu o temperatura mai

ridicata. Pentru a realiza acest transport de caldura este necesara o anumita energie

mecanica , utilizata de obicei in scopul comprimarii agentului de lucru .

4

Page 5: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Daca definim un sistem termodinamic , evoluand ciclic , adica trecand in

permanenta prin acelasi stari, reprentarea acestuia intr-o diagrama oarecare si in special

intr-o diagrama temperatura – entropie (T – s) , va fi o curba inchisa (figura 2 ).

Se poate constata ca in cursul desfasurarii ciclului termodinamic au loc

urmatoarele procese :

a) sistemul primeste caldura din exterior in lungul arcului ACB la o temperatura

medie To ;

b) sistemul primeste o anumita cantitate de lucru mecanic ;

c) sistemul restituie caldura in lungul arcului ADB la o temperatura medie T1,

superioara celei la care el a primit caldura .

Acesta este principiul ciclului unei pompe de caldura .

Daca un astfel de ciclu este utilizat pentru producerea caldurii , sistemul fizic ce il

realizeaza poarta numele de pompa de caldura; daca cilcul serveste producerii de frig ,

sistemul va purta numele de masina frigorifica .

Singura diferenta intre cele doua sisteme provine din fixarea temperaturilor T1 si

To , care dicteaza si alegerea fluidului de lucru al agregatului .

“Pomparea“ caldurii a devenit posibila in momentul in care JOULE a demonstrat

ca un gaz comprimat se incalzeste.

Fundamentarea acestei posibilitati a fost data de LORD KELVIN in anul 1852 ,

care a sugerat ca daca se cupleaza doua schimbatoare de caldura prin intermediul unui

compresor , pe deoparte , si a unui ventil de laminare pe de alta parte , ar fi posibil sa se

incalzeasca sau sa fie racita o incinta .

Primele pompe de caldura , utilizand aerul ca fluid de lucru , au fost utilizate

pentru conservarea alimentelor pe vechile vapoare Clipper , inlocuind cu success gheata.

Desoperirea de catre Davy – Faraday a posibilitatii de lichefiere a gazelor , a

facut posibila cresterea eficientei pompelor de caldura. Utilizarea schimbarii de volum si

a caldurii latente , la schimbarea starii de agregare lichid – gaz a redus necesarul de

putere al compresoarelor. In jurul anului 1920, aceste agregate au cunoscut o dezvoltare

spectaculoasa, fiind comercializate ca frigidere. Au urmat apoi perfectionari in domeniul

compresoarelor,acestea ajungand foarte curand sa aiba randamente intre 40 si 60%.

5

Page 6: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Producerea de agenti de lucru pe baza de halogeni , in jurul anului 1950, a

schimbat considerabil domeniul de aplicare al pompelor de caldura , permitand obtinerea

unor gradienti de temperatura ridicati.

Producerea de noi agenti de lucru este inca in atentia cercetatorilor pentru a obtine

temperaturi de condensare cat mai ridicate.

3. Surse de caldura

Din scurta privire generala se desprind cateva câteva cerinţe ce trebuie îndeplinite

pentru a a putea obtine si o functionare economica a pompelor de caldura si anume:

- diferenţa dintre temperatura necesara la consumator şi cea a sursei sa fie cat

mai mica

- posibilitatea ca sursa de căldura să aibă o temperatură cât mai ridicată.

Pentru aceasta, condiţiile ce trebuie îndeplinite de sursele de căldura sunt multiple:

- să asigure posibilitatea livrării în orice moment la temperaturi cât mai mari, a

cantităţii de căldura solicitată.

- Să nu necesite cheltuieli mari pentru amenajare; literatura de specialitate

specifică o valoare limită de 10-15% din cheltuielile totale ale instalaţiei de

alimentare cu căldură;

- Să fie cât mai consumul de energie pentru transportul căldurii la pompe

ventilatoare, pentru a avea cheltuieli de exploatare cât mai scăzute

- Agentul de transport al căldurii trebuie să nu aibă acţiune agresivă chimică sau

fizică asupra schimbătoarelor de căldură sau să le influenţeze negativ

funcţionarea (coroziune, murdărire, îngheţare)

- Să fie cât mai pretabile pentru producţia de serie (tipizare) respectiv, să fie

accesibile în spaţiu şi timp nu numai în anumite zone geografice, climatice,

geologice sau industriale pentru cazul surselor deşeu.

În orice caz, în primul eşalon apar toate formele de căldura deşeu ca: apele de

răcire sau uzate din industrie, aerul viciat de la încălzirea spaţiala, apele de canalizare şi

nu in ultimul rând sursele geotermice. La limită pot fi utilizate şi sursele naturale ca apele

6

Page 7: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

freatice sau de suprafaşă, în afara perioadelor când există pericolul de ingheţ sau căldura

solului care pune însă probleme de cunoaştere a caracteristicilor lui, cât şi de realizare a

instalaţiei.

Având in vedere varietatea consumatorilor de căldură, s-a dezvoltat şi o gama

corespunzătoare de sisteme de alimentare cu căldură. Astfel, în ţările vestice, majoritatea

consumatorilor de căldură sunt reprezentaţi de case unifamiliare alimentate cu căldură

individual, prin rezistenţe electrice sau centrale termice perfecţionate funcţionând pe

combustibili clasici. Pentru clădirile sociale mari, în special cele din sector terţiar (clădiri

administrative, bănci, complexe sportive, şcoli, cantine) se livrează căldura prin sistemul

de alimentare cu aer din centrale termice.

În ţările estice s-au dezvoltat sistemele centralizate de alimentare cu căldură din

centrale termice şi, în special, de la centrale electrice de termoficare.

.Sursele de căldură se impart în două mari secţiuni:

-surse de căldură naturale, dependente mai mult sau mai puţin de temperatura

exterioară

- surse de căldură deşeu, provenite din diferite procese industriale.

3.1 Surse de caldură naturale

Aceste surse de folosesc la alimentarea cu căldură pentru prepararea apei calde de

consum şi încălzirea locuinţelor individuale sau a grupurilor mici de locuinţe. Ca surse de

căldură disponibile se pot menţiona:

- aerul exterior sau cel uzat

- apa freatică, de suprafaţă, din reţele de apă orăşenească, din surse

hidrogeotermice, uzată

- solul

- radiaţia solară

În afara aerului uzat şi apei uzate, toate acestea sunt considerate surse naturale de

căldură.

7

Page 8: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

3.1.1 Aerul

Din punct de vedere al disponibilităţii în timp şi spaţiu, aerul constituie o sursă de

căldură favorabilă.

Pentru dimensionarea optimă a unei pompe de căldură de tip aer-aer este foarte

important sa se cunoasca variatia anuala a temperaturii exterioare pentru zona

amplasamentului, precum si continutul sau de caldura.

Un dezavantaj important al pompelor de caldura care utilizeaza ca sursa de

caldura aerul exterior este stransa dependenta a sarcinii termice de pemperatura de

vaporizare. De aceea, la scaderea temperaturii exterioare necesarul de caldura creste si,

deci creste si inaltimea de pompare, influentand negativ coeficientul de performanta.

Un alt dezavantaj al aerului exterior ca sursa de caldura este brumarea (givrarea)

vaporizatorului. Continutul de umiditate al aerului creste cu temperatura si prin racire,

conduce datorita formarii de condensat pe suprafata vaporizatorului la o imbunatatire a

schimbului de caldura cu 50-100%, functie de aceste continut de umiditate. Atat timp cat

temperatura suprafetei vaporizatorului este pozitiva, aceasta umiditate ramane in stare

lichida, aluneca pe suprafata vaporizatorului si se elimina. O consecinta negativa este ca

aceasta pelicula de apa mareste rezistenta de trecere a aerului prin vaporizator.. La

coborarea temperaturii exterioare la valori negative se formeaza bruma a carei grosime

creste continuu, stricand, pe de o parte, schimbul de caldura si, pe de alta parte, marind

mult rezistenta de trecere a aerului prin vaporizator. Functionarea indelungata in astfel de

conditii poate sa conduca la acoperirea totala cu bruma a vaporizatorului si, respectiv, la

imposibilatea functionarii pompei de caldura.

Avantujului ecartului mic de temperatura consta in faptul ca pana la

temperaturii are aerului exterior de 4-5º C nu apare pericolul de brumare. Sub aceste

teperaturii, pericolul de brumare nu mai poate fi evitat si intervalul pana la -7º C in care

umiditatea absoluta a aerului este mare reprezinta domeniul critic de functionare, cand de

obicei poate apare ceata, zapada, inghet sau alte precipitatii ce pot sa inghete natural pe

vaporizator si sa il obtureze. In aceste conditii cantitatii de bruma si gheta ce se formeaza

pe vaporizator cresc de 3-4 ori fata de cele ce s-ar forma in condtiile lipsei respectivelor

precipitatii.

8

Page 9: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

La temperaturii sub -7º C aerul de iarna este uscat si chiar la umiditatii relative de

70% contine o cantitate foarte mica de vapori in asa fel, incat se poate functiona zilnic

fara pericolul aparitiei de bruma.

Eliminarea brumei (degivrarea) se face prin incalzirea vaporizatorului. Aceasta se

realizeaza in diferite moduri, dar in orice caz se consuma suplimentar circa 5-10%

preluata la vaporizator. Cea mai utilizata metoda de degivrare este inversarea rolului

schimbatoarelor de caldura, respectiv, prin functionarea condensatorului ca vaporizator si

a vaporizatorului in rol de condensator. Practic, acesta este modul de functionare ca

instalatie de climatizare, vara. Deci, in timpul procesului de degivrare, pompa de caldura

nu numai ca nu livreaza caldura in locuinta, dar si mai consuma caldura din interiorul

cladirii.

Un alt dezavantaj al aerului exterior ca sursa de caldura este faptul ca

acesta in contact cu componetele pompei de caldura, le corodeaza, in special suprafetele

reci pe care se formeaza condens. De cele mai multe ori, in zonele din vecinatea marilor

sau in zonele puternic industrializate este necesar ca vaporizatoarele sa fie realizate

complet din cupru.

Deoarece amplasarea vaporizatoarelor se face in interiorul cladirilor (pivnite,

poduri) sau in imediata lor apropiere, este necesara prevederea unei bune izolatii fonice a

zgomotului ventilatorului.

Avand in vedere cele de mai sus, rezulta ca, aerul exterior este o sursa de caldura

economica pentru zone climatice in care iarna este lunga si blanda. Astfel de conditii sunt

indeplinite de tarile din nord-vestul Europei care au o clima continental oceanica.

3.1.2 Apa

Apa constituie cea mai buna sursa de caldura, luand in considerare marea ei

capacitate termica si foarte bunele ei caracteristici de transfer al caldurii. Din pacate, apa

devine un material din ce in ce mai rar si mai scump, astfel ca utilizarea ei trebuie facuta

cu discernamant. In plus, apele freatice de mica adancime, si, in special, cele de suprafata

9

Page 10: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

sunt din ce in ce mai poluate cu noxe industriale sau, termic, cu ape de racire si deseu,

astfel ca multe rauri si lacuri aproape ca nu mai ingheata iarna. Pornind de la ideea ca apa

reprezinta o substanta vitala planeti si ca gospodarirea ei judicioasa constutie in prezent o

necesitate imperioasa, orice mod de utilizare a ei intr-o instalatie de pompa de caldura,

chiar daca dupa utilizare se returneaza rezervorului natural, este supusa aprobarii

organelor administrative de stat.

Apa freatica. Apa freatica are temperatura aproximativ egala (sau mai mare cu

circa 1-2 º C) cu temperatura medie anuala a aerului exterior.

Temperatura ei este foarte uniforma si constituie o buna sursa de caldura chiar si

in timpul iernii. Datele privind existenta, caracteristicile, si cantitatile disponibile

probabile ce se pot utiliza sunt cunoscute de catre organele administrative care

coordoneaza protectia apelor sau de catre intreprinderile ce efectueaza foraje de puturi de

apa freatica, intreprinderi care prin natura activitatilor, cunosc din experinta aceste date.

De obicei, se efectueaza un foraj de proba pentru determinarea adancimii apei. In general,

un put are o productivitate de 2-5m3 pe ora suficienta pentru alimentarea cu caldura a 2-5

apartamente conventionale. Bineinteles ca pentru alimentarea unor consumatori mai mari,

functie de cantitatea de apa necesara, sunt necesare mai multe puturi.

Instalatia cu puturi sufera de marele dezavantaj ca, in timp, caracteristicile

puturilor se degradeaza, producandu-se asa-numita imbatranire a puturilor .Deorece

aceasta depinde de multi factori, este greu de stabilit durata de viata a unui put. Factorii

care favorizeaza imbatranirea sunt:

- nisiparea – la viteze mari ale apei freatice se antreneaza particule de nisip si

argila care se depun pe conducte si care pana la urma pot infunda putul de

retur

- coroziunea – toate componentele care nu sunt realizate din materiale rezistente

la coroziune sunt atacate si distruse rapid, ridicand multe probleme de

intretineresi reparatii

- colmatarea – este reprezentata de formarea carbonatilor in filtrul de pietris si

in fantele de aspiratie

Pentru anihilarea actiunii acestor factori, trebuie sa se ia o serie de masuri:

10

Page 11: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- partile de otel care intra in contact direct cu apa trebuie protejate impotriva

coroziunii; aceste parti sunt furnizoare de ioni de fier care contribuie la

alterarea chimica si biologica a puturilor

- sa se prevada filtre pentru impiedicarea depunerilor in instalatie si in putul de

retur

- pentru imbunatatirea calitatii apei este bine ca inante si dupa vaporizator sa

fie prevazute sptaii de linistire.

3.1.3 Apele de suprafata

Asupra temperaturii apelor de suprafata nu se pot face aprecieri apriorice, ci

numai pe baza unor masuratori. Raurile mici si neafectate indica o medie lunara a

temperaturii apei dependenta de temperatura exterioara, avand o amplitudine mai redusa

cu 2-3º C. La aceste surse de caldura trebuie avut in vedere pericolul de inghet in iernile

aspre. Avand in vedere acest aspect, pentru utilizarea unor astfel de surse de caldura,

trebuie prevazuta o functionare bivalenta cu o instaltie care sa asigure intregul necesar al

caldurii pentru perioada cand apa ingheata. La o astel de instalatie, pompa de caldura

livreaza mai mult de trei sferturi din necesarul anual de caldura, restul fiind acoperit din

instalatia de varf.

O problema inca in discutie in prezent este reprezentata de limita maxima de

racire a apei, in asa fel incat ea sa nu modifice distructiv flora si fauna. In general, toata

lumea este de acord ca pana la temperaturi de +2º C nu apar astfel de probleme si ca

temperatura are o mai mica influenta asupra ecologiei apelor de suprafata decat

transparenta si continutul de oxigen, care de obicei nu sunt afectate de utilizarea in

instalatii cu pompe de caldura.

Un caz special este reprezentat de utilizarea apei potabile din reteaua oraseneasca

ca sursa de caldura. Aceasta apa este indicata, deoarece este curata, nu ingheata si are o

temperatura cvasiconstanta in timpul anului de circa 7-15º C, in functie de

amplasamentul geografic. Proprietatile fizico-chimice ale apei potabile determina

dezavantajul coroziunii si formarii de depuneri pe suprafetele schimbatoarelor de caldura

si a conductelor de legatura. Utilizarea acestor surse este insa conditionata de existenta

11

Page 12: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

surselor de apa potabila si de costul aducerii unor cantitati suplimentare la consumatori.

De asemenea, se pune problema utilizarii lor in asa fel, incat sa nu fie afectata

potabilitatea apei la trecerea prin vaporizator.

In ciuda acestor dezavantaje, apele de suprafata au mari posibilitati de utilizare ca

surse de caldura si sunt foarte indicate in cazurile speciale in care, in amonte de

concentrari urbane, se afla intreprinderi industriale ce utilizeaza apa raului pentru procese

de racire in circuit deschis.

3.1.4 Solul

Solul reprezinta o buna sursa de caldura, avand in vere temperatura lui constanta

la nivelel acceptabile, capacitatea lui disponibila si posibilitatile de acumulare in spatiu si

timp

Factorii cei mai importanti care caracterizează din punct de vedere termic solul

sunt conductivitatea termică, densitatea şi căldura specifică. Este dificil de stabilit o

clasificare a solurilor. Conţinutul de umiditate şi densitatea au influenţe determinante

asupra proceselor de conducţie a căldurii.

De obicei, solul in timpul iernii are cea mai mică umiditate, însă schimbătoarele

de căldură nu se dimensionează pentru acest caz, deoarece ar deveni prea mari şi scumpe.

In timpul funcţionării schimbătorului de căldură au loc procesele de difuzie, prin care

umiditatea migrează, cu scăderea temperaturii, ceea ce îmbunătăţeşte conductibilitatea

solului, realizandu-se în apropierea schimbătorului un transport suplimentar de căldură.

De asemenea, trebuie să se ia în considerare apele freatice, în special direcţia şi viteza lor

de curgere.

In timpul funcţionării, apar periodic măriri ale volumului solului care

îmbunătăţesc contactul cu ţevile schimbătorului şi micşorări ale acestui volum cu

consecinţe opuse. De aceea, este indicată pozarea ţevilor într-un strat de nisip sau

realizarea ţevilor din materiale elastice care să-şi modifice forma în funcţie de mişcările

solului.

12

Page 13: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Măsurările au arătat că cantitatea de căldură preluată pe unitatea de lungime de

ţeava creşte cu 200% la solul umed faţă de solul uscat, iar pentru pozarea într-un strat

umezit artificial creşte cu 200 % faţă de solul umed natural.

Experienţa arată că evoluţia temperaturii în sol este practic constantă

la 10 m adîncime şi este egală cu temperatura medie anuală la suprafaţa

solului. Din considerente economice, adîncimea de pozare a ţevilor este

de 1,5—2 m. Realizarea schimbătoarelor de căldură în sol a cunoscut două direcţii

de dezvoltare.

Una din metode constă în pozarea de conducte din material plastic, pe o suprafaţă

de 1,5-2 ori mai mare decît suprafaţa clădirii ce se alimentează cu căldură, sub formă de

reţele, aşezate în şanţuri la adîncimea de 1,5-2 m.

Nu este indicată utilizarea ţevilor metalice, deoarece sînt scumpe şi în plus pot da

naştere la fenomene de electrocoroziune.

In ultimul timp s-a dezvoltat o nouă metodă de utilizare a (sub)solului ca sursă de

căldură, şi anume utilizarea schimbătoarelor de căldură cu conducte verticale. Principiul

de funcţionare a acestui tip de colector este realizat cu conducte ţeava în ţeava, implantate

vertical sau oblic, cu o înclinaţie de pînă la 60° în pămînt şi prin care circulă agentul de

transport al căldurii preluate din sol (fig. 2.4).

. In concluzie, utilizarea solului ca sursă de căldură pentru pompele de căldură prezintă

o serie de avantaje faţă de celelalte surse naturale. Dintre acestea, cel mai important este

că sursa este aproape complet independentă de necesarul de căldură şi nu are capacitatea

minimă la mijlocul iernii, aşa cum au celelalte surse naturale.

3.1.5 Radiaţia solară

Sursele de căldură naturale descrise pînă acum reprezintă surse al căror izvor este

energia solară reprezentînd astfel utilizarea ei prin intermediul unor anumiţi agenţi, însă

este posibilă utilizarea nemijlocită a energiei solare ca sursă de căldură.

13

Page 14: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Energia solară provenită sub formă de energie electromagnetică este o importantă

sursă de căldură sub raportul cantităţii, însă prezintă dezavantajul de a avea o mică

densitate şi, astfel, utilizarea ei este dificilă şi scumpă.

Soarele radiază asupra pămîntului energie care, vara, la mijlocul zilei, este de

1000 W/m2, iarna scăzînd la 50 - 200 W/m2. Din această energie, prin utilizarea

colectoarelor solare, se poate capta numai jumătate. De aceea, alimentarea cu căldură a

locuinţelor numai din această sursă este practic imposibilă.

Prin utilizarea unei scheme cu colectoare solare şi o pompă de căldură, se poate

coborî temperatura necesară a fi asigurată de colectoarele solare. Aceasta are ca efect

micşorarea pierderilor de căldură ale colectoarelor (se poate micşora izolaţia) către

mediul ambiant precum şi mărirea duratei de utilizare a colectoarelor solare şi mărirea

randamentului acestora. Se poate funcţiona astfel şi dimineaţa, seara sau cînd cerul este

acoperit existînd numai radiaţie difuză. O astfel de schemă conduce la dublarea energiei

captate de captatoarele solare.

Avînd în vedere disponibilitatea şi complexitatea captării energiei solare, cea mai

avantajoasă utilizare este oferită de combinarea acestei energii cu celelalte energii

naturale sau cu instalaţii clasice de alimentare cu căldură.

Astfel, în combinaţie cu aerul exterior, se obţine prin încălzirea acestuia în

colectoarele solare o creştere a coeficientului de performanţă al instalaţiei cu pompă de

căldură de cca. 25 %.

In concluzie, se poate spune, că sursele naturale de căldură prezintă suficiente

argumente de utilizare pentru alimentarea cu căldură a clădirilor, în special, a celor

individuale şi că utilizarea lor ca surse de căldură la instalaţii cu pompe de căldură, dar

care dispun şi de instalaţii clasice funcţionînd pe combustibili clasici, conduc la efecte

energetice semnificative şi la perioade de recuperare a cheltuielilor suplimentare din

valoarea economiilor de combustibil destul de scurte.

14

Page 15: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

3.2 Surse de căldură deşeu

In acest capitol sînt descrise sursele de căldură care reprezintă domeniul de

aplicaţii denumit, în general, industrial.

Mărirea eficienţei energetice şi economice a proceselor industriale prin

reintroducerea în circuitul energetic a resurselor energetice secundare care apar şi se

dezvoltă o dată cu aceste procese se realizează, actualmente, în mod satisfăcător prin

utilizarea schimbătoarelor de căldură recuperative, însă numai pentru sursele de căldură

cu nivel termic ridicat.

Există multe cazuri în industrie în care căldura deşeu conţinută în gaze sau lichide

are un nivel termic prea scăzut pentru a putea fi utilizată prin transfer direct de căldură. In

această situaţie, sînt mari cantităţi de căldură de 25- 40°C care nu pot fi utilizate decît cu

ajutorul pompelor de căldură.

Deşi utilizarea pompelor de căldură în domeniul industrial a fost recomandată şi

s-au făcut unele aplicaţii încă de acum trei decenii, abia în prezent domeniul se bucură de

un interes deosebit, cu un larg număr de aplicaţii pe baza termenelor de recuperare

acceptabile.

Utilizarea pompelor în industrie vizează trei domenii mari de surse de căldură:

- căldură deşeu conţinută în agenţi în stare lichidă;

- căldură din procese de uscare, fierbere şi vaporizare;

- căldură deseu din procese frigorifice;

- alte surse de căldură deşeu.

3.2.1 Căldură deşeu conţinută în agenţi în stare lichidă

Acesta este unul din cele mai importante domenii de utilizare a pompelor de

căldură utilizînd compresia de vapori, cu acţionare cu motor termic sau electric.

Cele mai reprezentative industrii care, pe de o parte, evacuează căldura deşeu

conţinută în ape cu temperaturi cuprinse între 10 şi 60°C şi, pe de altă parte, consumă

15

Page 16: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

căldură la nivele termice moderate, excluzînd situaţiile în care căldura necesară la

consumator poate fi preparată direct prin schimb de căldură (de exemplu, pentru

preîncălzirea apei de alimentare a cazanelor), sînt prezentate în tabelul 2.2.

Aşa cum se observă, cel mai mare domeniu cu resurse valorificabile cu pompe de

căldură este reprezentat de industria alimentară şi de cea textilă.

Industria alimentară elimină mari cantităţi de apa cu diferite nivele de temperatură

mai mult sau mai puţin poluată şi, de asemenea, necesită mari cantităţi de apă de răcire.

Cantităţile de apă uzată pot fi micşorate prin metode de recirculare a acesteia, utilizînd-o

la încălzire, răcire sau spălare.

3.2.2 Căldură din procese de uscare, fierbere şi vaporizare

Un alt domeniu cu importante surse de căldură este reprezentat de procesele de

uscare, fierbere şi vaporizare. Aici, sursele sînt mult mai diverse decît efluenţii lichizi,

astfel că partea de „sursă rece" a unei pompe de căldură trebuie să fie realizată în

concordanţă cu echipamentele procesului respectiv.

In general, sursa de căldură este reprezentată de aerul umed evacuat.

Există multe industrii care utilizează procesele de uscare, dezumidificare şi

concentrare, în special, în domeniul chimiei, produselor farmaceutice şi alimentare.

Astfel de procese se întîlnesc la fabricarea următoarelor produse : hîrtie; cărămizi,

ceramică, faianţă, obiecte sanitare; lapte concentrat sau praf; gips ; plastifianţi; textile;

clei şi vopsele ; îngrăşăminte agricole; cherestea.

3.2.3 Căldură deşeu din procese frigorifice

Avînd în vedere numărul mare de echipamente frigorifice care evacuează căldură

deşeu sub formă de aer cald uscat sau de apă caldă, aceste surse constituie un larg

domeniu de aplicaţii ale pompelor de căldură.

Există procese industriale care necesită încălzirea unor substanţe şi apoi răcirea

lor. Un exemplu tipic este reprezentat de pasteurizarea laptelui. In acest caz, căldura

preluată de la răcirea laptelui constituie o bună sursă pentru încălzirea lui, cu ajutorul

16

Page 17: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

unei pompe de căldură. In aceeaşi situaţie sînt instalaţiile frigorifice de la abatoare şi de la

patinoare şi săli de sport.

Sursele de căldură din domeniul industrial şi, în aceeaşi măsură, cele de natură

hidrogeotermică au caracteristici care le fac să fie mult mai interesante decît cele

naturale, conducînd la efecte energetice şi economice mai importante. Astfel de surse

prezintă următoarele avantaje:

- au nivele de temperatură, în general, mai ridicate decît cele naturale şi sînt

independente de temperatura exterioară. Aceasta conduce, în majoritatea cazurilor, la

coeficienţi de performanţă ridicaţi şi, deci, la avantaje energetice şi economice;

- au durată de utilizare mare, putînd alimenta consumatori chiar din procesul care

le creează sau din imediata vecinătate;

- prezintă mari cantităţi de căldură cu nivel termic practic constant. De regulă,

cantităţile de surse de căldură industrială depăşesc consumurile ce ar putea fi asigurate cu

pompe de căldură. De aceea, în cazul în care există sisteme centralizate de încălzire a

cartierelor de locuinţe, în vecinătatea unor platforme industriale cu disponibil de surse de

căldură, valorificarea acestora cu ajutorul pompelor de căldură conduce la avantaje

substantiale. In această situaţie, este favorizată construcţia unor agregate mari cu

investiţii şi cheltuieli de exploatare specifice mici.

O problemă pe care o ridică astfel de surse este gradul lor de impurificare, în

cazurile cînd acestea nu sînt curate, utilizarea căldurii deşeu conţinute este posibilă numai

după staţiile de epurare, cînd nivelul lor termic scade mai mult sau mai puţin.

La valorificarea surselor de căldură industriale cu ajutorul pompelor de căldură

trebuie să avem întotdeauna în vedere că acestea realizează consumuri energetice mult

mai mari decît recuperarea directă. De aceea, implementarea unei pompe de căldură

trebuie sa fie prevăzută numai după epuizarea tuturor posibilităţilor de recuperare directă.

De obicei, cele mai avantajoase scheme sînt combinaţiile dintre schimbătoare de căldură

recuperative şi pompe de căldură.

17

Page 18: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

4. Agenti de lucru ai instalatiilor de pompe de caldura

4.1 Condiţii impuse agenţilor de lucru

Date fiind analogiile funcţionale şi constructive existente între instalaţiile

frigorifice şi pompele de căldură, agenţii de lucru utilizaţi în pompele termice fac parte

din categoria, foarte cuprinzătoare, a agenţilor frigorifici. In cadrul cercetărilor actuale

din domeniul construcţiei şi exploatării pompelor termice, alături de căutările întreprinse

pentru diversificarea domeniilor de utilizare, ridicarea performanţelor instalaţiilor şi

folosirea diverselor surse de căldură, un loc important îl ocupă eforturile în direcţia găsirii

sau punerii în valoare a unor noi agenţi de lucru, care să corespundă în cît mai mare

măsură cerinţelor multiple impuse de funcţionarea sigură şi eficientă a instalaţiilor.

18

Page 19: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

In prezent se utilizează ca agenţi de lucru pentru diferite tipuri de pompe de

căldură:

- freoni şi amoniac pentru pompele termice cu comprimare mecanică de vapori;

- soluţii binare (cu doi componenţi), în special, soluţia hidroamoniacală şi soluţia

de bromură de litiu cu apă pentru pompele termice cu absorbţie ;

- vapori de apă pentru pompele termice cu ejecţie;

- aer pentru pompele termice cu comprimare de gaze.

După cum se poate observa din prezentarea proceselor ce au loc în pompele

termice termoelectrice, în aceste instalaţii nu se poate vorbi de agenţi de lucru în sensul

obişnuit al cuvîntului.

In tabelul 3.1 se prezintă proprietăţile fizice şi acţiunea fiziologică a principalilor

agenţi de lucru din instalaţiile de pompe termice, conform STAS 6987 — 71 şi a datelor

din literatura de specialitate.

4.2 Amoniacul

Amoniacul, deşi prezintă dezavantajul unei toxicităţi foarte mari, precum reiese şi

din tabelul 3.1, continuă să fie unul din cei mai utilizaţi agenţi de lucru în instalaţiile

frigorifice, precum şi în instalaţiile de pompă termică cu putere termică mare.

Avantajele utilizării amoniacului sunt, în principal, următoarele :

- căldură mare de vaporizare (şi respectiv, de condensare), ceea ce conduce la

valori mari ale sarcinii termice specifice volumice în condensator, ;

- valori ridicate ale eficienţei termice a ciclului;

astfel, pentru ciclul Carnot inversat care se desfăşoară intre t0 = 0°C şi tc = 50°C,

eficienţa termică εc are valoarea 5,53 in cazul NH3, superioară celor ale majorităţii

19

Page 20: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

freonilor utilizaţi in pompele termice : 5,16 pentru R 12; 4,64 pentru R 21 ; 4,35 pentru R

502 ;

- valori mari ale coeficienţilor de transfer de căldură atît în stare lichidă, cît şi în

stare de vapori;

- pierderi reduse de presiune la curgerea prin conducte, ca urmare a valorilor

reduse ale densităţii atît în starea lichidă, cît şi în cea de vapori;

se deduce că amoniacul este un agent de lucru foarte „uşor", şi anume cu o

densitate a stării de vapori mai mică decît cea a aerului şi cu o densitate a stării lichide

mai mică decit cea a uleiului de ungere, deci amoniacul lichid pluteşte deasupra uleiului;

- solubilitate faţă de apă, astfel încît conţinutul de apă în amoniac lichid poate

ajunge pînă la 0,1%; de asemenea, amoniacul nu formează cu apa agenţi corosivi; prin

amestecarea apei cu amoniacul, punctul de solidificare al amestecului este coborît foarte

mult, astfel încît la temperaturile de vaporizare obişnuite care intervin în pompele termice

nu intervine nici un pericol de formare a gheţii în circuitul instalaţiei;

- uşurinţă de detectare a scăpărilor de agent, în primul rînd ca urmare a mirosului

caracteristic; în cazul unor scăpări reduse, punerea acestora în evidenţă se face cu ajutorul

acidului clorhidric fumans : la locul neetanşeităţilor se formează clorura de amoniu, sub

forma unui fum alb caracteristic;

- cost redus de fabricare a agentului (de obicei, prin sinteza azotului şi

hidrogenului);

- transport simplu, în butelii de oţel la presiunea de 10—15 bar.

Dezavantajele utilizării amoniacului sînt:

- toxicitate ridicată (conform tabelului 3.1) şi inflamabilitate la 650°C pentru

amestecul aer-amoniac şi la 850°C pentru amoniacul pur;

- valori ridicate ale presiunii de condensare pc şi ale raportului de comprimare

a vaporilor;

astfel, în cazul ciclului de pompă termică care se desfăşoară t0 = 0°C şi tc = 50°C,

presiunea de condensare este pc= 20,6 bar, iar raportul ;

20

Page 21: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- corodarea cuprului şi aliajelor acestuia (în special, în prezenţa apei); de

asemenea, pericolul de explozie al amestecului dintre amoniac şi mercur, în cazul

utilizării mercurului ca lichid manometric;

- volum specific mare al vaporilor, care conduce la dimensiuni mari ale

compresorului; totodată, avînd o masă molară coborîtă (M = 17,03), amoniacul nu este

recomandat pentru utilizare în compresoare centrifuge;

- solubilitate redusă în uleiul de ungere, determinînd formarea unui strat de ulei de

ungere pe suprafeţele schimbătoare de căldură, deci o reducere a transferului de căldură.

4.3 Freonii

4.3.1 Caracteristicile generale ale freonilor

Freonii sunt, în prezent, agenţii de lucru cei mai utilizaţi atît pentru instalaţiile

frigorifice, cît şi pentru pompele termice cu comprimare mecanică de vapori.

Avantajele pe care le prezintă freonii, ca agenţi de lucru pentru pompele termice,

se pot rezuma la următoarele :

- grad foarte redus de periculozitate, întrucît sînt neinflamabili, inexplozivi şi

netoxici; pînă la un conţinut în aer de circa 20 %, în părţi de volume, nu au miros, iar la o

concentraţie mai mare au miros uşor dulceag;

- gamă largă de valori ale masei molare a diverşilor freoni, ceea ce face posibilă

utilizarea unora (R 12, R 22 etc.) în compresoare volumice, iar a altora (R 11, R 113 etc.)

în compresoare centrifugale;

- valori scăzute ale exponentului adiabatic, k, pentru majoritatea freonilor : 1,09

pentru R 113; 1,13 pentru R 11; 1,14 pentru R 12; 1,16 pentru R 21; rezultă temperaturi

acceptabile la sfîrşitul comprimării vaporilor, precum şi puteri mecanice de antrenare a

compresorului mult mai mici decît în cazul altor agenţi de lucru;

- umectare bună a metalelor, favorabilă proceselor de vaporizare;

21

Page 22: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- capacitate foarte bună de dizolvare a uleiurilor; astfel, suprafeţele schimbătoare

de căldură nu se murdăresc cu ulei, permiţînd obţinerea unor valori acceptabüe ale

fluxului complex de căldură;

- posibilitatea realizării unor rapoarte de comprimare a vaporilor in

compresor, precum şi a unor valori ale presiunii de condensare pc, care să nu prezinte

probleme de rezistenţă şi etanşare pentru condensator şi să nu conducă la consum

exagerat de energie mecanică pentru comprimarea agentului; acest lucru este posibil prin

alegerea corespunzătoare a agentului de lucru din gama destul de largă a freonilor

recomandaţi pentru pompele termice. Diagrama redată în fig. 3.2 dă posibilitatea

stabilirii raportului de comprimare corespunzător unei anumite temperaturi de

vaporizare. Trebuie menţionat faptul că un raport de comprimare prea mare înrăutăţeşte

coeficientul de debit λ al compresorului şi conduce la o temperatură prea ridicată a

vaporilor comprimaţi;

- nereactivitatea chimică a freonilor cu metalele în cazul cînd nu prezintă un

conţinut ridicat de apă; se impune, deci, necesitatea obţinerii unei purităţi ridicate a

acestor agenţi, fără conţinut iniţial de apă.

Dintre dezavantajele freonilor se menţionează :

- sarcină termică specifică volumică , în general redusă; în tabelul 3.5 sînt

redate, pentru freonii utilizaţi în pompele termice cu comprimare de vapori, valorile lui

, valorile eficienţei termice ideale μc pentru un ciclu Carnot inversat care se desfăşoară

între t0 = 0°C şi tc = 50°C; precum şi presiunea de condensare pc şi raportul de

comprimare ; pentru comparaţie s-au indicat aceste mărimi şi în cazul amoniacului.

Din tabel se deduce că freonii caracterizaţi prin presiuni de condensare pe scăzute (R 11,

R 21, R 114) au sarcini termice mici, deci pentru realizarea unei puteri termice Qc

date este nevoie de debite volumice mari; freonii care prezintă valori mari ale presiunilor

de lucru (R 22, R 502) au în schimb şi sarcini termice volumice relativ mai mari, deci

pentru aceeaşi putere termică Qc a instalaţiei, debitele volumice de vapori necesare sînt

22

Page 23: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

mai mici şi, implicit, debitele volumice corespunzătoare cursei pistonului compresorului

sunt considerabil mai reduse.

- pierderi gazodinamice mari, ca urmare a valorilor mari ale densităţii freonilor

atît în stare lichidă, cît şi în stare de vapri;

- valori relativ reduse ale coeficienţilor de transfer de căldură, ceea ce determină

suprafeţe mai mari ale schimbătoarelor de căldură;

- cost relativ ridicat de fabricaţie, mai ales că se impune un grad înalt de puritate;

- dizolvă cauciucul natural şi ca urmare, garniturile de etanşare din stalaţiile cu

freon sînt fie metalice, din fibre presate, cu lianţi insolubili in freon (neopren, cloropren

etc.);

- solubilitatea apei în freoni este diferită : în freonii fără atomi de hidrogen în

moleculă (R 11, R 12, R 113, R 114), dizolvarea este foarte redusă (sub 25 mg/kg), ceea

ce poate provoca formarea gheţii în ventílele de reglaj sau de laminare dacă temperatura

de vaporizare t0 este sub 0°C;

în freonii ce conţin şi hidrogen (R 21, R 22) dizolvarea apei este posibila într-o proporţie

mai mare; dar la un conţinut de apă mai mare ca 25 mg/kg unii freoni se descompun,

formînd acid clorhidric şi acid fluorhidric, care atacă uleiul de ungere şi unele materiale

de etanşare.

5. Regimuri energetice de functionare

Aruncand o privire din exterior un sistem cu pompa de caldura poate functiona in

urmatoarele regimuri:

- monovalent, presupune asigurarea intregii cantitati de caldura de catre pompa de

caldura;

- bivalent, presupune existenta a doua surse de caldura ;

- bivalent alternativ, pompa de caldura poate functiona alternativ ;

- bivalent paralel, pompa de caldura poate functiona paralel.

23

Page 24: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

6. Eficienţa termică a pompelor de căldură

Cu o pompă de căldură se poate mări, prin alimentarea cu energie mecanică

temperatura surselor de căldură neutilizabile ca de exemplu aerul, apa freatică sau solul.

Pentru a obţine un indice de putere momentan ridicat se tinde să se ajungă la puterea

minimă pe tur de 40ºC, la încălzirea prin pardoseală .

Cantitatea mai mare de căldură, cea cu care, de exemplu se alimentează o

instalaţie de încălzire nu provine de la energia de acţionare a compresorului, ci este în

principal energie solară care se acumulează pe cale naturală în sol, aer sau apă.

Această cantitate poate fi în funcţie de tipul acumulatorului de căldură, mai ales

de nivelul de temperatură, de trei până la cinci ori mai mare decât energia cu care se

alimentreză compresorul.

Raportul dintre energia termică utilizată şi energia electrică de acţionare a

compresorului se numeşte eficienţă termică instantanee μ.

unde:

- Q este puterea termică cedată de pompa de căldură la un moment dat în KW

- P este puterea electrică cu care se alimentează pompa de căldură la un moment

dat în KW

Cu cât diferenţa de temperatură dintre sursa de căldură şi instalaţia de utilizat

căldura este mai mică cu atât mai mare (mai bun) este indicele de putere.

Eficienţa termică medie anuală β a instalaţiei cu pompe de căldură se calculează

ca raport dintre căldura cedată pe timp de un an de către instalaţia de pompe de căldură şi

puterea electrică absorbită de către instalaţia de pompe de căldură pe timp de un an.

unde:

- Q este cantitatea de căldură descărcată de către instalaţie pe parcursul unui an în KWh

- W este energia electrică cu care se alimentează instalaţia pe timp de un an în KWh

24

Page 25: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

10. Consideraţii generale privind prepararea apei calde menajere

Prepararea apei calde menajere, reprezintă o componentă importantă a necesarului

de căldură al unui imobil, prezentând ca şi caracteristică importantă faptul că este relativ

constantă tot timpu lanului.

În cazul utilizării surselor regenerabile de energie, cum este energia geotermală

utilizată în pompele de căldură, temperatura apei calde menajere preparate, va fi de cca.

40°C. În cazul în care căldura pentru prepararea apei calde se obţine prin arderea unor

combustibili clasici solizi, lichizi sau gazoşi, biomasă solidă, biogaz, etc., temperatura

apei va fi de 60…65°C. În ambele cazuri, temperatura apei la utilizare va fi de cca. 40°C,

acestă temperatură fiind reglată prin adaus de apă rece.

Prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiilor regenerabile, se realizează în

regim de acumulare. Nu se utilizează niciodată regimul “instant” de preparare a apei

calde, deoarece acesta din urmă, presupune sarcini termice mari, deci echipamente

scumpe. Astfel, cu ajutorul surselor regenerabile de energie, apa caldă menajeră este

preparată în boilere, al căror volum de acumulare trebuie determinat în funcţie de

consumul zilnic de apă pe care trebuie să îl asigure.

O problemă importantă a prepararării apei calde menajere la temperaturi sub

60°C, este că în boilerele aflate sub această temperatură, se poate dezvolta o bacterie,

denumită Legionella Pneumophila. Această bacterie nu afectează sistemul digestiv, dar

este extrem de agresivă pentru sistemul respirator, afectând plămânii şi poate provoca

inclusiv moartea pacienţilor. În băi, bacteria menţiontă poate să ajungă din apă în aer, iar

de aici poate să fie inhalată în plămâni. Datorită acestei bacterii, cel puţin boilerele pentru

prepararea apei calde menajere la temperaturi sub 60°C, trebuie prevăzute şi cu o

rezistenţă electrică, sau cu o altă sursă de căldură, deoarece apa caldă menajeră din boiler

trebuie încălzită pentru cel puţin pentru o oră pe zi, până la temperatura de 60°C, la care

această bacterie este distrusă.

În instalaţiile pentru prepararea apei calde menajere se pot utiliza diferite tipuri de

boilere, aşa cum se observă în figurile 10.1 şi 10.2, care pot fi racordate la diverse

echipamente de încălzire, funcţionând cu diverse surse de energie.

25

Page 26: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig. 10.1. Boiler vertical electric

www.viessmann.com

Fig. 10.2. Boiler orizontal cu o serpentină

www.viessmann.com

26

Page 27: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig 10.3 Elementele constructive ale unui boiler

27

Page 28: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

11. Variante de pompe de caldura

11.1. Pompe de caldura aer – aer

Pompele de caldura aer – aer sunt agregate de puteri mici si mijlocii, fiind folosite

pentru incalzirea incaperilor de locuit, birourilor, caselor individuale, salilor de

spectacole, etc.

Aceste aparate extrag caldura din aerul exterior sau din aerul de ventilatie

recirculat sau evacuat din incaperi. Fiind agregate de puteri mici si mijlocii, asigura

numai incalzirea de baza, cea de varf fiind asigurata de rezistente electrice suplimentare

sau de un sistem clasic de incalzire. Caldura este livrata sub forma de aer cald, cu ajutorul

unui sistem de ventilatoare.

O schema a unei pompe de caldura reversibile aer - aer este prezentata mai jos

unde sunt evidentiate si cele doua regimuri de functionare.

28

Page 29: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

In regim de incalzire fig a , agentul de lucru, freon R12 , cu presiune mare si

temperatura ridicata este dirijat din compresor prin ventilul inversor catre bateria

interioara (condensator) unde cedeaza caldura aerului din incapere. Aerul din incapere

este recirculat peste bateria de incalzire cu ajutorul unui ventilator. Dupa trecerea prin

ventilul de laminare, in care se produce detenta agentului de lucru, acesta, avand

temperatura scazuta, circula prin bateria exterioara (evaporator), primind caldura de la

aerul atmosfeic. Ciclul se inchide prin ventilul inversor catre compresor.

In regim de racire fig b compresorul ridica temperatura si presiunea agentului de

lucru, trimitandu-l prin intermediul ventilului inversor in bateria exterioara (condensator),

unde cedeaza caldura aerului atmospheric. In continuare agentul de lucru strabate ventilul

e laminare in care se produce detenta acestuia, insotita de o apreciabila cadere de

presiune si temperatura, urmand ca in bateria interioara , agentul de lucru sa extraga

caldura din aerul din incapere. Ciclul se inchide prin ventilul inversor catre compresor si

se reia.

Constructiv pompa de caldura este alcatuita dintr-un compresor frigorific cu

motor electric incorporat, doua schimbatoare de caldura (baterii) prin care circula in

interior agentul frigorific freon R12 si in exterior aerul , doua ventilatore care asigura

trecerea fortata a aerului prin baterii , un ventil inversor , care inverseaza sensul agentului

frigorific prin baterii in functie de regimul dorit, un ventil de laminare care realizeaza

29

Page 30: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

caderea de presiune si temperatura necesara pe circuitul de freon, conducte si alte repere

necesare functionarii aparatului si sisteme de comanda

.

Ventilatorul axial aspira aer dim exterior si il refuleaza in exterior prin bateria

exterioara.

Ventilatorul radial aspira aer din incapere si il refuleaza prin bateria interioara tot

in incapere (cand clapeta de ventilatie este inchisa ). Cand clapeta de ventilatie este

deschisa, cea mai mare parte din aerul aspirat din incapere este evacuate prin peretele

30

Page 31: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

despartitor catre ventilatorul axial, care il trimite in atmosfera, realizandu-se astfel

purificare aerului din incapere.

Pompa de caldura aer – aer, cuprinde si repere originale care constituie subiectul

unor brevete de inventie acordate in tara si in curs de brevetare in strainatate ca:

- schimbatoare de caldura compacte cu tevi de aluminiu si lamele ondulate de

aluminiu;

- ventil inversor care asigura schimbarea regimului de functionare al agregatului.

Variante constructive pentru schimbatoarele de caldura ale pompei de

caldura aer – aer

Varianta Tevi Lamele Tehnologia

I Cu Al Lipirea lamelelor pe tevi.

Tevile cu coturi sudate la capete

`II Cu Al Umflarea pronuntata a tevii.

Tevile cu coturi sudate la capete.

III Cu Al Umflarea medie urmata de lipirea lamelelor

pe tevi.

Tevile cu coturi sudate la capete

IV Al Al Lipirea lamelelor pe tevi.

Teava continua de Al fara coturi sudate

31

Page 32: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Folosirea aluminiului pentru realizarea integrala a schimbatoarelor de caldura este

dictate de considerente economice cat si de considerente tehnice.Compatibilitatea

aluminiului cu agentii frigorifici este foarte buna. In ceea ce priveste folosirea lui pentru

ralizarea schimbatoarelor de caldura pentru pompa de caldura, acesta prezinta avantajul

ca nu apare fenomenul de coroziune in timp, asa cum se intampla la schimbatoarele de

caldura cu tevi de cupru si lamele de aluminiu.

Deoarece la temperature ale mediului exterior sub 3˚C, eficienta pompei de

caldura scade, fiind mai indicat ca la temperature exterioare coborate sa se foloseasca o

rezistenta electrica aditionala pentru furnizarea cantitiatii de caldura necesara incalzirii

incaperii. Astfel, pompa de caldura este echipata si cu o rezistenta electrica de 2000 W.

Pompa de caldura aer – aer este utila in cazul incaperilor la care necesarul

de energie este mai mere de 5500 – 6000 kWh/an, ceea ce

corespunde dormitoarelor si camerelor de zi, pompa de caldura realizata, carea furnizeaza

circa 6200 kWh/an, corespunde necesitatilor energetice ale fondului de locuinte

netermoficabil.

Majoritatea cunstructiilor noi sunt prevazute cu ventilare mecanica a aerului din

bucatarii si sali de baie, reprezentand 150 – 230 m³/h. aerul extras, reprezinta o sursa de

32

Page 33: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

caldura capabila sa furnizeze energia necesara incalzirii aerului proaspat care este

introdus in in incaperile de locuit.

Folosirea pompelor de caldura aer – aer pentru incalzirea apartamentelor, in afara

de reducerile cantitative ale consumului de energie primara, au in vedere si alte

considerente: reducerea emisiunilor nocive in marile aglomerari urbane si imbunatatirea

conditiilor de confort in cladiri.

Pompele de caldura aer – aer pot fi folosite si pentru incalzirea unor locuinte

individuale,folosind in general caldura extrasa din aerul exterior. Primele instalatii de

pompe de caldura, la nivel de locuinta individuala, nu asigurau la inceput decat incalzirea

acesteia. In momentul de fata asigura si racirea aerului in incaperi in timpul sezonului

cald.

Instalatia este destinata sa asigure, in locuintele individuale prevazute cu ventilare

centralizata, recuperarea caldurii continute in aerul viciat evacuat si folosirea acesteia

pentru a incalzi aerul proaspat introdus in incapere. Pentru locuintele individuale se poate

asigura o conditionare integrala cu ajutorul pompei de caldura, aceasta putand efectua:

- ventilarea, incalzirea si racirea aerului;

- datorita racirii limiteaza debitele de ventilatie in timpul verii;

- permite asigurarea unor temperature interioare in limitele de confort termic;

- functioneaza complet automatizat si termostatat;

- permite umidificarea aerului din incaperi.

Progrese deosebite din ultimul timp in domeniul pompelor de caldura aer - aer, au

dus la realizarea unor pompe de caldura comandate si supravegheate de un calculator

integrat in aparat. Un astfel de modul cu circuite integrate constituie centrul nervos al

pompei de caldura si asigura urmatoarele comenzi:

- scoaterea din functiune a aparatului in cazul oricarei defectiuni mecanice;

- selectia si prereglajul temperaturilor de functionare a aparatului, in functie de

conditiile proprii fiecarei instalatii;

- intrarea in functiune a sistemului de incalzire electrica, numai atunci cand

pompa de caldura nu mai functioneaza eficient;

- protejarea componentelor aparatului la cresteri anormale de presiune si

temperatura.

33

Page 34: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

11.2. Pompe de caldura aer-apa si apa-aer

11.2.1Pompa de caldura aer-apa

Pompele de caldura aer-apa sunt agregate de puteri mici si medii, care extrag

caldura din aerul exterior sau din aerul evacuat din incaperi, distributia caldurii facandu-

se printr-un circuit de incalzire cu apa, clasic, de joasa temperatura. Sistemul aer-apa se

adapteaza foarte bine constructiilor noi, mai ales ca metoda de extragere mecanica a

aerului (in cazul pompelor de caldura ce recupereaza caldura din aerul extras din

incaperi) este relativ recenta. Ca si in cazul pompelor de caldura aer-aer, acestea reclama

o incalzire electrica de varf in cazul depasirii anumitor limite de temperatura.

Pentru o locuinta individuala, o pompa de caldura aer-apa poate asigura cu succes

incalzirea in perioadele in care temperatura mediului exterior nu coboara sub 3-4°C, in

perioadele mai reci fiind necesara utilizarea in continuare a unei solutii clasice de

incalzire. S-a constatat ca aceste agregate detin coeficienti de performanta de ordinul 3-4,

deci superiori pompelor de caldura aer-aer, economia obtinuta fiind de 35-50% la

consumul de energie electrica, fata de incalzirea electrica directa.

O pompa de caldura aer-apa, functionand cu recuperarea caldurii din aerul extras

din incaperi este prezentata in fig. de mai jos.

Caldura este livrata sub forma de apa calda intr-un sistem de incalzire a camerelor

prin planseu. Alegerea apei ca fluid purtator de caldura in incaperi, provine din

constatarile facute, ca in general, beneficiarii europeni prefera acest tip de incalzire fata

de cel cu aer cald.

34

Page 35: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Un sistem de pompa de caldura aer-apa, care functioneaza cu o foarte buna

eficienta, este instalat la clinica Chantecler din Marsilia, Franta. La aceasta clinica,

incalzirea si conditionarea salilor de operatii, a salilor de urgenta si a salilor de

balneoterapie este facuta in totalitate cu ajutorul pompelor de caldura aer-apa, care

recupereaza caldura din aerul extras din clinica (inclusiv din camere si din bucatarii).

Pompa de caldura recupereaza caldura din cei 55 800 m³/h aer ventilat la 22°C.

Sistemul este prevazut si cu un turn de racire care asigura evacuarea caldurii in timpul

verii. Aceasta asigura incalzirea integrala, pana cand temperatura mediului exterior

ajunge la 5—6°C. O parte din caldura produsa asigura si micsorarea umiditatii aerului in

salile de balneoterapie, asigurandu-se bolnavilor un maxim de confort.

Pompele de caldura apa-aer utilizeaza, in general, caldura extrasa din apa de racire

din diferite procese industriale sau in cazul utilizarii lor pentru locuintele individuale,

caldura extrasa dintr-un put cu apa freatica sau caldura extrasa din sol.

35

Page 36: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Aceasta se utilizeaza insa, in special in cadrul unor sisteme integrate de alimentare

cu caldura a cladirilor.

Instalatia consta dintr-un sistem de distributie al apei, cu temperaturi cu prinse intre

18 si 35°C, cuplat cu un ansamblu de pompe de caldura mici apa-aer, amplasate in

incaperi si cu un punct termic centralizat prevazut cu instalatii pentru completarea

deficitului sau pentru evacuarea excedentului de caldura rezultat pe ansamblul cladirii.

Mai jos se prezinta schema de principiu a unui astfel de sistem, realizat de firma

Kessler & Luch K.G. din R.F.G. Apa, cu o temperatura constanta, stabilita in functie de

natura cladirii si conditiile climatice exterioare, este distribuita de agregatele mici de

pompe de caldura in care este racita sau incalzita, functie de necesitatea de incalzire,

respectiv racire a incaperii.

Pe conducta de intoarcere, amestecul rezultat poate avea temperaturi mai mici,

egale sau mai mari decat temperatura de ducere, in functie de raportul dintre excedentul

si deficitul de caldura al ansamblului incaperilor.

Aceste agregate realizeaza un coeficient de performanta mediu anual de ordin 2-3 si

pot fi montate in ferestre, in plafon, in zid sau de tip dulap.

36

Page 37: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Avantajele acestui sistem sunt:

- performante mai bune decat cele ale pompelor de caldura individuale aer-aer;

- investitii mai reduse decat cele ale sistemelor de incalzire si conditionare clasice,

cu circuite si surse separate de apa calda si apa rece;

- realizarea relativ simpla in cadrul modernizarii cladirilor vechi, cu folosirea

retelelor interioare existente si fara intreruperea activitatii in cladire.

In Anglia, acest sistem este aplicat in prezent la peste 9 000 de apartamente.

Pompele de caldura aer-apa sau apa-aer au totusi o arie de raspandire ceva mai

redusa decat pompele de caldura aer-aer sau apa-apa.

11.3. Pompe de caldura apa - apa

Pompele de caldura apa-apa extrag caldura din apa (rauri, lacuri, apa marii, panze

freatice subterane, ape geotermale, etc.) si livreaza caldura sub forma de apa calda.

37

Page 38: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig Pompa de caldura apa-apa

Gama acestora este foarte larga, fiind cuprinsa intre pompe de caldura destinate

incalzirii unei case individuale si pompe de caldura de mii de kilowati, destinate

sectorului industrial sau incalzirii unor complexe de locuinte.

Unul din avantajele pompelor de caldura de acest tip este ca, prin intermediul apei,

poate sa extraga caldura din sursele cele mai diferite..

Din analizele efectuate s-a putut constata ca pompele de caldura apa-apa sunt

competitive neconditionat in raport cu producerea caldurii din energie electrica, iar in

raport cu producerea caldurii in centrale termice sau cazane de apa fierbinte prin ardere

directa de combustibil isi mentine aceasta pozitie daca „inaltimea de pompare a caldurii”

nu depaseste circa 60°C.

Componenta unui agregat de 0,1 Gcal/h este prezentata mai jos. Acesta poate fi

utilizat pentru incalzirea locuintelor, cu temperaturi ale sursei de 25°C si la consumator

70°C.

Agentul de lucru (freon R12), in stare de vapori, este refulat din compresor in

condensator, unde vine in contact cu tevile reci in care circula apa de la consumator,

cedandu-i caldura. Agentul de lucru, condensat, se colecteaza in partea inferioara a

38

Page 39: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

condensatorului de unde ajunge in doua subracitoare, destinate reintoarcerii uleiului in

compresor.

Agentul lichid este injectat apoi printr-un ventil de reglaj in cele doua evaporatoare,

unde, vaporizat, absoarbe caldura de la sursa. De aici, agentul de lucru este reintrodus in

compresor si ciclul se reia.

39

Page 40: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Functia principala a acestui sistem este de a transporta caldura excedentara dintr-o

anumita parte a imobilului intr-o alta parte, unde aceasta este necesara.

In cazul unui sistem cu agregat central, pompa de caldura este amplasata intr-o

centrala de incalzire si climatizare, iar realizarea incalzirii sau racirii incaperilor se face

prin intermediul ventiloconvectoarelor, echipate fiecare cu baterii de incalzire si de racire

distincte, racordate la un sistem de apa calda, respectiv de apa rece. Schema unui astfel de

sistem de incalzire si racire, elaborat de firma BBC-York, este prezentata in fig. de mai

jos.

Apa pentru incalzire preia caldura de la condensatorul pompei de caldura si

eventual de la sursa de varf si o cedeaza in incaperile de locuit. Apa pentru racire cedeaza

caldura in evaporatorul pompei de caldura si preia, prin intermediul bateriilor de racire,

caldura din incaperile cu bilant termic excedentar.

Pentru reducerea la minimum, in perioadele de iarna cu temperaturi extreme, a

duratelor de utilizare a sursei de varf, pe circuitul de apa rece, in paralel cu bateriile de

racire din incaperi este cuplat un recuperator pentru caldura de potential redus (ape calde

evacuate, ape freatice), care contribuie la diminuarea deficitului rezultat din diferenta

dintre cantitatea de caldura necesara pentru incalzire si cantitatea de caldura rezultata din

procesul de racire.

40

Page 41: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

In perioadele in care caldura disponibila la condensatorul pompei de caldura

depaseste necesitatile pentru incalzire, excedentul rezultat se evacueaza in mediul

ambiant prin intermediul turnului de racire.

Calculele au aratat ca utilizarea la noi in tara a unor astfel de sisteme este posibila,

tinand seama de faptul ca exista conditii ca asemenea sisteme sa marcheze avantaje

economice fata de cele care utilizeaza solutii clasice (centala termica si centrala de

conditionare).

Un alt sistem posibil de incalzire cu o pompa de caldura apa-apa este prin utilizarea

caldurii solului.

Pompa de caldura utilizeaza caldura extrasa din sol cu ajutorul unor colectoare

tubulare speciale.

41

Page 42: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Apa care circula prin evaporatorul pompei de caldura este trimisa in aceste

colectoare, unde preia caldura solului si se reintoarce in evaporator. Masuratorile

efectuate au demonstrat ca, la adancimi de peste 5 metri,

temperatura solului ramane aproape constanta (circa 10—12°C), indiferent de perioada

din timpul iernii in care acestea au fost facute. Instalatia este prevazuta si cu un rezervor

de acumulare de circa 10 m3, in care poate fi stocate caldura in timpul perioadelor in care

instalatia de incalzire nu functioneaza.

Un sistem format din doua ventile cu trei cai permite incalzirea fie direct de la

condensatorul pompei de caldurasau de la rezervorul de acumulare, fie simultan.

42

Page 43: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

O sursa de caldura din ce in ce mai utilizata pentru pompele de caldura apa-apa o

reprezinta apa geotermala. Ideea de a utiliza la maximum caloriile continute in apa

geotermala este impusa din motive economice, deoarece forajele necesita investitii

importante.

Un astfel de sistem permite atat incalzirea imobilelor noi, cat si a celor vechi.

Sistemul cuprinde:

- un put de extragere a apei geotermale (cu temperatura de circa 70°C), care cedeaza

caldura intr-un schimbator de caldura intermediar, racindu-se pana la circa 25°C;

- doua pompe de caldura P1 si P2, care permit ridicarea temperaturii apei din

circuitul de incalzire pana la valoarea dorita;

- un sistem de incalzire clasic, care asigura incalzirea la varf.

43

Page 44: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Analizand curba de sarcina pentru un anumit consumator de caldura, se constata ca

in zilele cele mai reci ale iernii, pe portiunea A—B este necesara incalzirea de varf din

surse conventionale.

Dimensionarea instalatiei cu pompe de caldura pentru acoperirea intregii sarcini

termice nu este economica, deoarece incalzirea de varf este necesara un numar relativ

redus de zile anual. Pornind din punctul B, incalzirea poate fi exclusiv asigurata de

pompa de caldura, utilizand caldura extrasa din apa geotermala.

Din punctul C poate fi asigurata in exclusivitate utilizand apa geotermala, cu oprirea

pompelor de caldura. Aceasta corespunde unei perioade de circa 52 zile anual.

O instalatie de preparare a apei calde de consum, cu ajutorul unei pompe de caldura

de 0,7 Gcal/h, utilizand caldura apelor geotermale, a fost conceputa de catre ICEMNERG

si functioneaza circa 8 000h/an cu urmatoarele performante:

- necesarul de caldura este asigurat in proportie de 31% de pompa de caldura, 42%

de cazanele de varf si 27% prin utilizarea directa a caldurii extrase din apele geotermale;

44

Page 45: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- economia anuala de combustibil conventional, obtinuta de instalatie, este de circa

142 t.

Studiile efectuate pana in prezent au aratat ca utilizarea pompelor de caldura mari,

in sistemele centralizate de alimentare cu caldura a cladirilor, este oportuna din punct de

vedere economic.

Pompele de caldura apa-apa, cu capacitati medii (100 000 – 500 000 kcal/h),

reprezinta o solutie competitiva in urmatoarele cazuri:

- incalzirea apei calde menajere cu caldura recuperata din apele calde evacuate

(geotermale, din industrie sau din instalatiile de canalizare) sau preluata de la apele de

suprafata sau freatice;

- incalzirea apei din bazinele de inot cu caldura recuperata din apele evacuate sau

preluata din apele de suprafata;

- incalzirea unor cladiri mari sau complexe de locuinte, cu caldura recuperata din

apele calde evacuate sau preluata din apele mezotermale de suprafata.

Pompa de caldura cu capacitati mari (2 – 10 Gcal/h) se foloseste pentru acoperirea

sarcinii termice de baza a unor sisteme centralizate de alimentare cu caldura, folosind ca

sursa apele calde evacuate din instalatiile industriale sau apele geotermale de potential

termic redus.

In toate cazurile in care pompa de caldura se aplica la un sistem in care distributia

caldurii se face prin intermediul apei calde, parametrii acesteia (debite si temperaturi)

trebuie stabiliti prin calcule de optimizare, care tin seama si de modificarea consumurilor

specifice ale pompei de caldura in functie de temperatura la care se livreaza caldura.

Utilizarea pompei de caldura apa-apa pentru incalzire se dovedeste economica si in

cazul folosirii caldurii extrase din apa marii. Un astfel de sistem functioneaza cu succes

in Norvegia pentru incalzirea localitatii Holmlia, cu 4 800 de locuitori, apa fiind extrasa

de la 50 m adancime dintr-un fiord indepartat. Pompa de caldura poate asigura circa 60%

din sarcina de incalzire, restul fiind acoperit de o centrala termica de varf.

Intr-o economie in care conservarea rezervelor de energie primara, prin utilizarea

lor eficienta si rationala, a devenit obiectivul principal al politicii energetice, pompa de

caldura reprezinta un mijloc eficient de recuperare si valorificare a caldurii deseu

considerata pana in prezent nevalorificabila.

45

Page 46: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Sursa de caldura deseu (apa rezultata dintr-un proces tehnologic), cu temperatura de

30—35°C, intra in evaporatorul pompei de caldura, unde cedeaza caldura agentului

frigorific care se vaporizeaza.

Vaporii de freon rezultati sunt comprimati in compresor si introdusi apoi in

condensator, unde incalzesc apa rece de la retea, preparand apa calda de consum.

In perioadele de consum scazut apa calda se poate acumula intr-un rezervor,

urmand a fi consumata in perioadele de crestere a consumului.

Aceste surse de caldura deseu pot fi folosite cu succes pentru prepararea apei calde

de consum sau incalzirea unor incinte cu ajutorul pompelor de caldura apa-apa, aducand

importante economii anuale de combustibil conventional.

De asemenea, pot fi concepute sisteme cu pompe de caldura pentru valorificarea

caldurii evacuate la condensatoarele turbinelor energetice cu abur. Apa de racire a

condensatoarelor turbinelor cu abur serveste ca sursa rece unei pompe de caldura si poate

fi apoi returnata la centrala sau deversata in raul care asigura racirea in circuit mixt sau

deschis a centralei electrice. Acest lucru se poate face, in cazul in care in zona respectiva

exista consumatori, in conditii mai avantajoase prin extinderea termoficarii (cu sau fara

modificari constructive ale turbinei), ceea ce limiteaza utilizarea pompei de caldura,

pentru valorificarea acestor categorii de resurse, la situatiile in care conditiile locale nu

permit livrarea unor cantitati suplimentare de caldura produsa in termoficare cu instalatii

cu parametri inalti.

O analiza pentru tara noastra a evidentiat posibilitatea instalarii unui numar de circa

1 400 agregate de pompa de caldura, insumand o putere totala instalata de circa 400

Gcal/h.

11.4 Pompa de caldura sol-apa cu colectori orizontali

Solul are proprietatea ca poate acumula si mentine energia solara pe o perioada mai

lunga de timp, ceea ce conduce la un nivel de temperatura al sursei de caldura

46

Page 47: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

aproximativ constant de-a lungul întregului an si astfel la o functionare a pompelor de

caldura cu indice de putere momentan ridicat.

Preluarea de caldura din sol se realizeaza prin intermediul tuburilor din material

plastic cu suprafata mare montate în sol ca si în figura 2.3.Tuburile din material plastic

(PE) se amplaseaza paralel, în sol, la o adâncime de 1,2 - 1,5m si în functie de

diametrul ales al tubului, la o distanta de 0,5 - 0,7m astfel încât pe fiecare metru patrat de

suprafata de absorbtie sa fie montat 1,43 pâna la 2 m de tub. Lungimea tuburilor nu

trebuie sa depaseasca o lungime de 100m deoarece în caz contrar cresc pierderile de

presiune.

Capetele tuburilor sunt introduse în colectoare pe tur si pe retur, care trebuie

amplasate la un nivel mai ridicat decât tuburile, pentru a se putea aerisi întregul sistem de

tuburi. Fiecare tub se poate bloca separat.

Apa sarata se pompeaza prin tuburile din material plastic cu ajutorul unei pompe de

circulatie, astfel acesta preia caldura acumulata în sol. Prin intermediul pompei de caldura

se utilizeaza caldura pentru încalzirea încaperilor. Înghetarea temporara a solului în zona

din jurul tuburilor de obicei în a doua jumatate a perioadei de încalzire nu are efecte

secundare asupre functionarii instalatiei si asupra cresterii plantelor. Dar totusi nu trebuie

plantate plante cu radacini foarte adânci în jurul tuburilor pentru apa sarata.

47

Page 48: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig.2.3 Pompa de caldura sol-apa cu colectori orizontali

11.5 Pompa de caldura sol-apa cu sonde

Datorita suprafetei mari necesare pentru montarea colectorilor orizontali pentru sol,

este dificila realizarea chiar si în cazul locuintelor noi din motive de spatiu. În special în

orasele aglomerate, cu suprafete foarte mici spatiul este limitat. Din acest motiv în

prezent se monteaza cu preponderenta sonde verticale de caldura pentru sol, care se pot

introduce la adâncime de 50 pâna la 150m. O astfel de instalatie este prezentata în figura

2.5

În acele regiuni cu soluri ce pot fi usor forate sondele din polietilena sunt puse în

opera cu ajutorul unor instalatii de foraj cu spalare cu apa. Pentru aceasta se utilizeaza o

sapa de foraj cu diametrul de cel putin 90mm.

Apa este pompata cu mare presiune prin aceasta sapa de foraj si aduce la suprafata

materialul dislocat. Materialul dislocat este depozitat într-o groapa în apropierea

forajului. Apa în exces este preluata de la partea superioara a acestei gropi si reutilizata

în procesul de forare. În momentul atingerii adancimii de foraj prevazute se introduce în

gaura de foraj o sonda deja pregatita verificata la presiune si plina cu apa. Apoi sonda de

foraj este ridicata si demontata bucata cu bucata.

În final gaura forata se umple din nou cu pamânt. Ca material de umplere se poate

folosi betonitul. Daca în timpul forajului au fost perforate straturile impermeabile, acestea

trebuiesc refacute la umplere. Pentru procedeul mai sus amintit costurile estimate pentru

conditii geologice forabile sunt apreciate la 35-40$ pa fiecare metru de sonda. Aceste

costuri sunt însa puternic dependente de structura subsolului si de procedeul de foraj

utilizat.

Pentru aceste tipuri de instalatii este necesara o aprobare de la organele competente.

Numeroase instalatii cu pompe pentru sonde de caldura, pentru sol functioneaza de multi

ani fara a prezenta vreo defectiune si sunt preferate de utilizatori. Conform masuratorilor

48

Page 49: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

efectuate în conditii hidrogeologice bune, mai ales în cazul în care exista apa

freatica curgatoare, este posibila functionarea monovalenta a pompelor de caldura fara

racirea pe timp îndelungat a solului.

Figura 2.5 Pompa de caldura sol-apa cu sonde

49

Page 50: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

12. Stabilirea amplasamentului, a dimensiunilor şi a regimului termic al

obiectivului

Imobilul pentru care se va proiecta instalaţia de încălzire şi preparare a apei calde

menajere este o locuinţă unifamilială, în care locuiesc 4 persoane, situată în judeţul

Constanta.

Locuinţa este compusă din 3 camere, bucătărie, baie, hol o cămară şi o magazie,

având împreună o suprafaţă de 154 m2 . Imobilul nu dispune de nici un sistem de

încălzire.

Pereţii exteriori - reprezentaţi cu culoarea gri în schema următoare, vor avea

grosimea de 250 mm şi vor fi construiţi din cărămidă de construcţii cu goluri verticale

pentru zidării exterioare. Pe ambele feţe ale peretelui se aplică un strat de tencuială de 10

mm.

Pereţii interiori - reprezentaţi cu culoarea roşie, vor avea grosimea de 150 mm şi vor

fi construiţi din cărămidă de construcţii pentru pereţi despărţitori.

Podeaua - reprezentată cu galben, este realizată dintr-un strat de 30 cm de beton

peste care se montează termoizolaţie. Peste izolaţie se aplică un parchet de lemn de brad

cu o grosime de 4 cm.

Tavanul – realizat din beton armat, având o grosime de 20 cm este izolat cu

polistiren extrudat peste care se montează scânduri de brad cu o grosime de 3 cm. Pe

partea interioară se aplica un strat de tencuială cu o grosime de 1 cm.

Geamurile şi uşile care comunică cu exteriorul sunt realizate din termopan de tip

Low E.

Pentru reducerea pierderilor de căldură prin pereţii locuinţei se foloseşte o izolaţie

termică de calitate superioară a carei natură şi dimensiuni vor fi studiate în continuare în

50

Page 51: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

acest proiect. Uzual, pentru izolarea termică a clădirilor se foloseşte poliestirenul, care

poate fi extrudat sau expandat şi vata minerală. Poliestirenul extrudat se utilizează în

special la realizarea aşa numitelor panouri sandwich folosite preponderent la construcţia

halelor industriale, a depozitelor frigorifice sau spaţiilor comerciale. Vata minerală şi

poliestirenul expandat sunt foarte asemănătoare din punct de vedere al proprietăţilor şi al

uşurinţei în utilizare. Deoarece poliestirenul este mai frecvent utilizat decât vata minerală,

pentru izolarea termică a locuinţei considerate se va folosit acest tip de material.

Izolaţia termică va fi amplasată în exteriorul incintei încălzite, eliminând astfel

pierderile de spaţiului locativ. Alt avantaj al montării izolaţiei termice pe partea

exterioară a peretelui este menţinerea temperaturii pereţilor la o valoare superioară

punctului de îngheţ, prevenind, astfel îngheţul anumitor posibile urme de apă care ar

putea pătrunde în pereti datorită diferenţelor de umiditate dintre aerul din incintă şi cel

din afară.

Amplasarea locuinţei în oraşul Constanţa determină valoarea temperaturii

exterioare care variază, în mare măsură, în funcţie de poziţia geografică şi de altitudine.

Poziţia gerografică a oraşului Constanţa este 44° 10.4′- latitudine N şi 28° 38.3′ -

longitudine E, care o situează în zona climatică VI şi zona eoliană I, iar altitudinea de

93m.

51

Page 52: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig. 12.3 Harta Romaniei impartita in zone climatice

Fig.12.4 Potentialul eolian al Romaniei

La efectuarea calculelor nu se va ţine cont de variaţia diurnă a temperaturii

exterioare care nu influenţează calculul de dimensionare a instalaţiei termice pentru

încalzire deoarece acesta va fi efectuat pentru situaţia cea mai dificilă care poate apărea în

funcţionarea instalaţiei.

Astfel calculul se va efectua folosind temperatura conveţională de calcul,

recomandată, care are valoarea de -12 °C şi care reprezintă valoarea medie multianuală a

temperaturilor scăzute înregistrate în zona climatica aleasă. În timpul anului, ţara noastră,

cele mai scăzute valori ale temperaturii exterioare se înregistrează în luna ianuarie. În

timpul unei zile, cea mai scăzută valoare a temperaturii se înregistrează dimineaţa înainte

de a răsări soarele.

În aceasta ordine de idei calculele care se vor efectua în vederea dimensionării

instalaţiei termice pentru încălzirea locuinţei vor fi efectuate presupunând că afară este

noapte. Presupunînd că afară este noapte influenţa radiaţiei solare nu va interveni în

52

Page 53: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

efectuarea calculelor, deoarece este o acţiune vine în ajutorul procesului de încălzire, la

fel ca şi raportul de căldură datorat funcţionării aparatelor electrice, care se consideră a fi

oprite pe timpul nopţii.

În incinta încălzită vor locui cele patru persoane, care aduc un aport de căldură, care

influenţează calculele efectuate pentru dimensionarea instalaţiei termice, în sensul

diminuării necesarului de căldură.

În vederea efectuării calculelor nu se va folosi temperatura minimă, înregistrată în

decursul anilor precedenţi, deoarece această valoare a temperaturii apare destul de rar,

odată la câţiva zeci de ani, folosirea ei ar duce la o supradimensionare nedorită a

instalaţiei, care oricum va suferi anumite supradimensionări, necesare, care vor permite

asigurarea necesarului de comfort termic şi în cazurile extreme.

Temperatura interioară a fost aleasă comform DIN 4701 care prevede o valoare a

temperaturii de 20 °C pentru camere de locuit şi odihnă şi 24 °C pentru camere de baie.

Valorile indicate în normativul ASR, în funcţie de tipul de activitate, sunt 19 °C

pentru activitate sezând, 17 °C pentru activitate în picioare, 20 °C in birouri şi 24 °C în

băi si dormitoare. Pentru efectuarea calculelor se foloseşte temperatura de 22 °C pentru

toate încăperile.

Dimensiunile camerelor

Înălţimea imobilului este de 2,5 m.

53

Page 54: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Camera I:

- lungime 4,5 m

- lăţime 3,9 m

-geamuri :-peretele sudic 2x1,2 m

- peretele vestic 1,5x1,2 m

Camera II:

- lungime 5,5 m

- lăţime 4,5 m

- geamuri :- peretele sudic 2x1,2 m

- peretele estic 2,5x1,2 m

Camera III:

- lungime 5,5 m

- lăţime 4,5 m

- geamuri :- peretele estic 2,5x1,2 m

Hol:

- lungime 11 m

- lăţime 1,6 şi 2,6 m

- uşă perete sudic 1,2x2 m

- uşă perete nordic 1x2 m

Bucătărie:

- lungime 5,5 m

- lăţime 3,7 m

- geamuri :- peretele vestic 1,5x1,2 m

Cămară:

- lungime 3 m

- lăţime 2,4 m

- geamuri :- peretele vestic 1x1m

- uşă perete sudic 0,8x2 m

Magazie:

- lungime 5,5 m

- lăţime 4m

- geamuri :- peretele nordic 2x1,2 m

- uşa perete estic 1x2 m

Baie:

- lungime 3 m

- lăţime 2,8 m

54

Page 55: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Schema locuinţei este reprezentată în figura 12.5(figura 12.5.a vedere frontala,

figura 12.5.b vedere din spate, figura 12.5.c dimensiunile casei ).

55

Page 56: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Figura 12.5.a Vedere frontală

56

Page 57: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Figura 12.5.b Vedere din spate

13. ANALIZA TERMOENERGETICĂ A LOCUINŢEI SI DETERMINAREA NECESARULUI DE CALDURA

13.1. Noţiuni introductive

În continuare este prezentată o aplicaţie software interactivă, destinată calculului

necesarului de căldură al locuinţelor unifamiliale, bazată pe tendinţele actuale existente

pe plan mondial în acest domeniu. Sunt prezentate de asemenea şi câteva rezultate ale

unor studii care au fost realizate cu ajutorul acestui program.

Calculele şi analizele care pot fi efectuate cu ajutorul programului menţionat, sunt

deosebit de utile în contextul interesului actual asupra subiectului, corelat şi cu

posibilitatea de utilizare a energiilor regenerabile, ca sursă de energie termică pentru

încălzire şi prepararea apei calde menajere.

57

Page 58: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

În România, cea mai mare parte a clădirilor pentru locuit, au fost realizate fără

preocupări semnificative pentru calitatea energetică a acestora, dar în ultimii ani au fost

introduse reglementări precise în acest domeniu şi se observă o preocupare tot mai atentă

pentru aspectele legate de izolarea termică şi de soluţiile eficiente pentru producerea

energiei termice.

În vederea atingerii obiectivelor acestui studiu de analiză termoenergetică a

locuinţelor unifamiliale, necesarul de căldură a fost parametrizat, pentru a putea fi

identificată influenţa fiecărui factor asupra necesarului de căldură şi chiar asupra

costurilor.

Elaborarea modelului matematic, a fost realizată cu scopul de a permite

minimizarea necesarului de sarcină termică a locuinţelor, parametru care dacă este corect

determinat, permite şi selectarea corectă a echipamentului de încălzire.

Algoritmul de calcul, a fost implementat cu ajutorul limbajului PHP, într-o aplicaţie

client-server şi a fost testat într-un studiu de caz, cu scopul obţinerii unor concluzii

relevante, privind influenţa unor parametrii asupra necesarului de căldură.

13.2. Modelul matematic

Necesarul de căldură al locuinţelor Q, poate fi determinat prin însumarea celor trei

componente majore ale acestuia:

Q = Q1 + Q2 + Q3 (1)unde:

- Q1 este sarcina sau puterea termică transmisă prin anvelopa clădirii;

- Q2 este sarcina sau puterea termică datorată ventilării sau aerisirii;

- Q3 este sarcina sau puterea termică pentru prepararea apei calde menajere.

Sarcina sau puterea termică transmisă prin anvelopă, prezintă la rândul ei mai multe

componente, care pot fi însumate:

Q1 = Q1.1 + Q1.2 + Q1.3 + Q1.4 + Q1.5 (2)

unde:

58

Page 59: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- Q1.1 este sarcina sau puterea termică transmisă prin pereţi;

- Q1.2 este sarcina sau puterea termică transmisă prin tavan;

- Q1.3 este sarcina sau puterea termică transmisă prin ferestre;

- Q1.4 este sarcina sau puterea termică transmisă prin podea;

- Q1.5 este sarcina sau puterea termică transmisă prin podeaua pivniţei.

Sarcinile termice transmise prin elementele anvelopei clădirii Q1.i , se determină cu

relaţii de calcul de tipul:

Q1.i = ki · Si (ti - te) (3)

unde:

- ki reprezintă coeficientul global de transfer termic prin elementul i al anvelopei

- Si reprezintă suprafaţa elementului i al anvelopei;

- ti reprezintă temperatura în interiorul locuinţei;

- te reprezintă temperatura exterioară.

Coeficientul global de transfer termic, se determină cu relaţii de tipul:

ki

(4)

unde:

- αi este coeficientul global de convecţie între elementul de construcţie şi aerul din

interiorul clădirii, iar pentru această mărime s-a considerat valoarea 8W/m2K, ceea ce

corespunde convecţiei naturale;

- αe este coeficientul global de convecţie între elementul de construcţie şi aerul din

exteriorul clădirii, iar pentru această mărime s-a considerat valoarea 25W/m2K, ceea ce

corespunde celor mai nefavorabile condiţiii;

- δ [m] este grosimea fiecărui strat component al elementului şi al anvelopei;

59

Page 60: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- λ [W/mK] este conductivitatea fiecărui material component al elementului şi al

anvelopei.

În tabelele alăturate, sunt prezentate valorile conductivităţii termice pentru câteva

materiale uzuale, precum şi valori ale coeficientului global de transfer termic, pentru

câteva tipuri de ferestre, valori care au fost implementate şi în programul de calcul:

Valori ale conductivităţii termice, pentru câteva materiale de

construcţie uzuale

Valori ale conductivităţii termice, pentru câteva materiale

izolatoare uzuale

Valori ale coeficientului global de transfer termic,

pentru câteva tipuri de ferestre

60

Page 61: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

* Datorită neetanşeităţilor, pentru aceste tipuri de ferestre, în practică valorile

coeficientului global de transfer termic, sunt şi mai ridicate.

Sarcina sau puterea termică datorată ventilării sau aerisirii, poate fi calculată în

functie de sarcina termică transmisă prin anvelopă, cu relaţia:

Q2 = ε · Q1 (5)

unde ε, reprezintă un coeficient de proporţionalitate, ale cărui valori pot fi

considerate:

- ε = 0,7 pentru clădiri fără izolaţie termică;

- ε = 0,8 pentru clădiri cu izolaţie minimă;

- ε = 0,9 pentru clădiri cu izolaţie bună;

- ε = 1 pentru clădiri cu izolaţie foarte performantă (case cu consum, energetic

redus, sau case pasive);

Sarcina sau puterea termică pentru prepararea apei calde menajere, depinde de

numărul de persoane care utilizează locuinţa:

Q3 = n · ρ · V · cp · (twe - twi) /τ (6)

unde:

- n este numărul de persoane;

- ρ [kg/m3] este densitatea apei;

- V [m3] este consumul zilnic normat de apă, pentru o persoană;

- cp [kJ/kgK] este căldura specifică a apei;

- twe [°C] este temperatura până la care trebuie încălzită apa;

61

Page 62: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- twi [°C] este temperatura apei reci;

- τ [s] este durata perioadei în care este încălzită apa.

13.3. Programul de calcul

Aplicaţia software care poate să asiste eficient utilizatorii, în activitatea de analiză

termoenergetică a locuinţelor unifamiliale, respectiv în alegerea celor mai bune soluţii şi

materiale pentru izolare termică, este disponibil pe internet, la adresa:

http://l.academicdirect.ro/Engineering/buildings/ro/

Pentru realizarea aplicaţiei, au fost concepute şi realizate patru programe originale,

implementate în limbajul PHP.

Componenta form.php, prezentată în figura 1.32, permite utilizatorului,

introducerea parametrilor, referitori la mediul ambiant şi la spaţiul interior, referitori la

elementele constructive ale anvelopei clădirii, etc.

62

Page 63: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig. 13.3.1 Interfaţa principală a programului

Componenta func.php, conţine 25 de funcţii de calcul, cu ajutorul cărora a fost

implementat algoritmul de calcul prezentat. Aceste funcţii permit atât calculul

componentelor sarcinii sau puterii termice corespunzătoare fiecărui element al anvelopei,

în parte, cât şi sarcina termică, sau puterea termică totală.

În tabelul 13.3.1 sunt reprezentate datele intitiale care au fost introduse in interfata

principala a programului, reprezentanf faza initiala in procesul de calcul al necesarului de

caldura pentru locuinta noastra.

Parametru Valoare

Temp_int 22Temp_ext -12Temp_sol -2

Temp_subsol 15Temp_apa_ext 5

Temp_apa_calda 40Timp_acm 22Vol_acm 50Nr_pers 4

Perimetru 52.2

63

Page 64: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Inaltime 2.5Supraf_podea 154Beci_suprafata 0Temp_acoperis -7Perete_stru_rez 0.9

Perete_grosime_strat_rezist 25

Perete_grosime_strat_izol 15Perete_mat_izol 0.035Podea_stru_rez 1.45

Podea_grosime_strat_rezist 30

Podea_grosime_strat_izol 15Podea_mat_izol 0.035Tavan_stru_rez 1.45

Tavan_grosime_strat_rezist 20

Tavan_grosime_strat_izol 15Tavan_mat_izol 0.035Geam_suprafata 24.2

Geam_rama 0

Tab. 13.3.1 Datele initiale

Dupa introducerea parametrilor initiali programul de calcul trece la pasul doi, si

anume afisarea in prima faza a datelor initiale introduse de utilizator, urmand apoi

afisarea rezultatelor calculate conform algoritmului de calcul evidentiat mai sus,

evidentiate si in figura 13.3.2

Rezultatele programului, permit atât evidenţierea influenţelor unui singur

parametru, asupra componenteleor sarcinilor termice, cât şi influenţa combinată a câte

doi parametri, asupra acestor componente.

64

Page 65: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig. 13.3.2 Afisarea rezultatelor

În figura 13.3.3, sunt prezentate pierderile de sarcină termică, corespunzătoare unor

diferite tipuri de ferestre, printre care si tipul nostru de fereastra Termopan Low E,

oferindu-ne posibilitatea de a avea o vedere de ansamblu asupra calitatii acestui tip de

termopan.

Observand figura mai sus mentionata putem vedea ca fereastra noastra se afla

intr-un punct de echilibru privitor la raportul calitate/pret, existand posibilati chiar de

imbunatatire factorului de pierdere in cazul ferestrelor tip Termopan Triplu si Tripul Kr.

Fig. 13.3.3. Pierderile de sarcină termică, corespunzătoare unor diferite

tipuri de ferestre

65

Page 66: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

În figura 13.3.5, sunt prezentate grafic, influenţele combinate a câte doi parametri,

asupra unor diverse componente ale sarcinii termice.

Figura 13.3.5, prezintă influenţa combinată a grosimii structurii de rezistenţă şi a

conductivităţii termice a acestuia, asupra pierderii de sarcina termică prin pereţi.

66

Page 67: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Figura 13.3.6, prezintă influenţa combinată a tipului de material de rezistenta ales,

asupra fluxului de caldura pierdut prin transmisie, in cazul nostru avem ca material de

rezistenta pentru pereti caramida si betonul pentru tavan si podea.

Fig. 13.3.6. Influenţa combinată a tipul de material de rezistenta ales

Figura 13.3.7, prezintă influenţa combinată a numărului de persoane şi a cantităţii

de apă caldă necesară pe persoană, asupra puterii termice necesare preparării apei calde

menajere reprezentata in procente.

67

Page 68: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

68

Page 69: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

13.4. Discuţii şi concluzii

Programul de calcul prezentat, cu ajutorul unei interfeţe simple, destinate

utilizatorilor fără experienţă în domeniul calculelor termice, permite acestora să efectueze

studii utile, în vederea alegerii elementelor componente ale anvelopei clădirii, astfel încât

aceasta să satisfacă criteriile dorite.

Aplicaţia software prezentată, poate fi utilizată pentru efectuarea cu succes a unor

analize termoenergetice a locuinţelor unifamiliale, prin calcularea sarcinii termice sau a

puterii termice necesare pentru încălzire şi prepararea apei calde menajere, precum şi prin

evidenţierea influenţei unor parametrii importanţi, asupra necesarului de căldură.

69

Page 70: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

14. STUDIU TEHNICO-ECONOMIC ASUPRA POMPELOR DE CALDURA

14.1. Noţiuni introductive

În continuare sunt prezentate câteva informaţii relevante privind principiul de

funcţionare a pompelor de căldură şi un studiu, realizat cu ajutorul unui program original

de calcul,utilizat pentru analiza influenţei condiţiilor de lucru, asupra performanţelor

pompelor de căldură.

Studiul include şi câteva consideraţii relevante privind condiţiile de mediu din

România şi potenţialul energiei geotermale, ca importantă sursă de energie geotermală, în

cederea utilizării acesteia in domeniul încălzirii caselor familiale cu ajutorul pompelor de

căldură. Numai aceste echipamente pot să ridice potenţialul termic al energiei geoternale

disponibile la nivelul suprafeţei Pământului, până la un nivel utilizabil în vederea

încălzirii şi preparării apei calde menajere.

Programul de calcul original, a fost scris în limbajul Engineering Equation Solver,

acest mediu de programare, permite realizarea de programe de calcul, adaptate pentru

evaluarea influenţei unui număr mare de parametrii, asupra performanţelor pompelor de

căldură. Între parametrii cei mai importanţi, care au fost studiaţi, pot fi menţionaţi:

amplasamentul pompelor de căldură, tipul pompelor de căldură, calitatea izolaţiei

locuinţei, tipul aplicaţiilor în care sunt utilizate pompele de căldură.

Unul din principalele motive pentru care a fost realizat acest studiu, este că cei mai

mulţi furnizori de pompe de căldură, nu indică în cataloagele comerciale ale acestor

echipamente, în ce condiţii sunt calculate eficienţele indicate şi în general există o lipsă

de informaţii în ceea ce priveşte eficienţa reală a pompelor de căldură, în diferite condiţii

de lucru.

Din punct de vedere termodinamic, energia geotermală, poate fi clasificată în două

categorii:

70

Page 71: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

- De potenţial termic ridicat;

- De potenţial termic scăzut.

Se poate spune că 99% din interiorul pământului, se găseşte la peste 1000°C, iar

99% din rest,se găseşte la peste 100°C.

În aplicaţiile casnice de încălzire, se utilizează energia geotermală de la suprafaţa

Pământului, disponibilă la temperaturi scăzute şi variabile, aşa cum se arată în figura

14.1.

Fig.14.1 . Variaţie tipică a temperaturii, la suprafaţa Pământului

Pentru a se ridica nivelul de temperatură al energiei geotermale, disponibile la

suprafaţa solului, în mod uzual, se utilizează pompe de căldură, având principalele

componente şi diagrama funcţională, prezentate în figura 14.2.

71

Page 72: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig. 14.2. Principalele componente şi diagrama funcţională a unei pompe de căldură

Pompele de căldură tipice, utilizează ca surse de căldură, energia geotermală din

sol, din apă sau din aer şi furnizează căldură sursei calde, reprezentate de apă sau aer. În

acest context, energia termică a tuturor surselor reci, inclusiv apă sau aer, este considerată

de asemenea, energie geotermală.

Temperaturile la care este disponibilă energia geotermală diferă de la o locaţie la

alta şi influenţează performanţele pompelor de căldură.

În tabelul 14,1, sunt prezentate, valorile temperaturilor medii ale aerului, în diferite

localităţi din România.

72

Page 73: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Tab. 14.1. Valori medii ale temperaturilor, în câteva localităţi din Romania

Temperaturile indicate în tabel, sunt implementate în programe de dimensionare ale

companiilor Copeland (care citează baza de date Meteosat) şi Weishaupt. Valorile acestor

temperaturi influenţează în mod direct valorile temperaturilor de vaporizare ale agentului

frigorific din pompele de căldură de tip aer-aer şi aer-apă. Temperaturile solului şi ale

apelor freatice, sunt mai puţin dependente de locul în care se amplasasează pompele de

căldură, dar sunt de asemenea importante.

Destinaţia pompelor de căldură, determină valorile temperaturilor la care este

livrată energia termică utilă a pompelor de căldură. În tabelul 14.2 sunt indicate câteva

valori tipice pentru temperaturile la care se livrează energia termică utilă, în funcţie de

destinaţia pompelor de căldură.

Tab. 14.2 Temperaturi tipice la care pompele de căldură furnizează căldura utilă

73

Page 74: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Temperaturile de condensare ale agentului frigorific din pompele de căldură, sunt

influenţate de destinaţia acestora.

În principiu, performanţele pompelor de căldură, sunt determinate de diferenţa

dintre temperaturile de condensare şi de vaporizare ale agentului frigorific.

Un parametru important al pompelor de căldură, în special pentru aplicaţii casnice,

este reprezentat de sarcina termică utilă, sau puterea termică utilă. Acest parametru este

determinant pentru investiţia în sistemul de încălzire cu energie geotermală.

Un rol determinant, pentru reducerea sarcinii termice, sau puterii termice a

pompelor de căldură, este prezentat de izolaţia termică a clădirii. Practic, pompele de

căldură se utilizează întotdeauna, în combinaţie cu izolaţii termice deosebit de eficiente.

În figura 14.3, sunt prezentate rezultatele obţinute pentru cazul noastru si anume, o

casa unifamilila tipica, cu suprafaţa de 154 m2, realizată din caramida cu grosimea de

25cm, cu izolatie de Poliester extrudat de 15cm grosime si fundatie de beton de 30cm.

În tabelul alăturat, sunt prezentate caracteristicile principale ale locuinţei analizate.

Parametru Valoare

Temperatura interioara 22°CTemperatura exterioara -12° CNr persoane 4Perimetru 52.2 mInaltime 2.5 mSuprafata ferestrelor 24,2 mTipul ferestrelor Termopan LowE

Pentru a se studia influenţa unor parametri importanţi, asupra performanţelor

pompelor de căldură, a fost scris un program de calcul original, utilizând mediul de

programare Engineering Equation Solver (EES), considerat lider mondial în domeniul

calculelor termice. http://www.fchart.com/ees/

74

Page 75: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Principalele funcţii ale programulului original de calcul sunt:

- Selecţia informaţiilor despre pompa de căldură:

- Destinaţie;

- Tip;

- Locaţie;

- Calcule:

- Ciclul de funcţionare al pompei de căldură;

- Eficienţa pompei de căldură.

A fost studiată influenţa următorilor parametri:

- Tipul pompei de căldură;

- Destinaţia pompei de căldură;

- Agentul frigorific.

Au fost considerate următoarele tipuri de pompe de căldură:

- Sol-apă cu colectori orizontali;

- Sol-apă cu colectori verticali;

- Sol-apă cu vaporizare directă în sol;

- Apă-apă;

- Aer-apă.

Au fost considerate următoarele destinaţii ale pompelor de căldură:

- Încălzire în podea;

- Încălzire cu ventilo-convectoare;

- Preparare apă caldă menajeră iarna;

- Preparare apă caldă menajeră vara.

Au fost considerate următorii agenţi frigorifici:

- R407C;

- R290 (Propan);

- R404A.

75

Page 76: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

14.2. Rezultate şi discuţii

Singurul parametru de performanţă analizat, a fost eficienţa pompelor de căldură,

calculată ca raport între sarcina termică sau puterea termică utilă şi puterea electrică

absorbită.

În figura 14.3, este prezentată influenţa tipului pompei de căldură asupra eficienţei

pompei de căldură, utilizată pentru încălzirea în pardosea, cu R407C.

Fig. 14.3. Influenţa tipului pompei de căldură asupra eficienţei

1 - sol-apă cu colectori orizontali; 2 - sol-apă cu colectori verticali;

3 - sol-apă cu vaporizare directă; 4 – apă-apă; 5 – aer-apă

Se poate observa că cea mai ridicată eficienţă corespunde pompei de căldură

apă-apă. Pompa de căldură cu colectori verticali şi cea cu vaporizare directă prezintă

valori similare ale eficienţei. Între ultimele două tipuri de pompe de căldură, prima

prezintă avantajul unei exploatări şi întreţineri mai uşoare, iar a doua, prezintă avantajul

unor costuri de instalare mai reduse.

În figura 14.4 este prezentată influenţa destinaţiei pompei de căldură, asupra

eficienţei, pentru pompă de căldură sol- apa cu colectori verticali şi R407C.

76

Page 77: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig. 14.4. Influenţa destinaţiei pompei de căldură, asupra eficienţei

1 – încălzire în podea; 2 – încălzire cu ventiloconvectoare;

3 – preparare apă caldă menajeră iarna, 4 - preparare apă caldă menajeră vara

Cea mai ridicată eficienţă, se obţine pentru încălzire în podea. Valori similare se vor

obţine pentru încălzirea piscinelor, care prezintă condiţii de funcţionare identice cu

încălzirea în podea. În aceste condiţii, încălzirea locuintelor, reprezintă una dintre cele

mai interesante aplicaţii ale pompelor de căldură sol- apa cu colectori care prezintă valori

cu adevărat ridicate ale eficienţei.

În figura 14.5 este prezentată influenţa agentului frigorific, asupra eficienţei

pompelor de căldură, pentru pompă de căldură cu colectori verticali, utilizată pentru

încălzirea în pardosea.

Fig. 14.5. Influenţa agentului frigorific, asupra eficienţei

77

Page 78: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Cu toate că R290 (propan) asigură cea mai mare eficienţă frigorifică, acest agent

frigorific este foarte inflamabil şi în numeroase ţări din UE, dar nu şi în SUA, este

interzisă amplasarea în interiorul clădirilor, a echipamentelor care conţin cantităţi

semnificative de propan. Aceste restricţii diminuează popularitatea acestui agent

frigorific, care tinde totuşi să devină tot mai utilizat în ultimii ani.

În figura 14.6 este prezentată influenţa combinată a destinaţiei şi tipului pompei de

căldură, asupra eficienţei.

Fig. 14.6. Influenţa combinată a destinaţiei şi tipului pompei de căldură, asupra

eficienţei

1 – sol-apă cu colectori orizontali; 2 - sol-apă cu colectori verticali;

3 – sol-apă cu vaporizare directă; 4 – apă-apă; 5 – aer-apă;

a – încălzire în podea; b – încălzire cu ventiloconvectoare;

c – preparare apă caldă menajeră iarna; d – preparare apă caldă menajeră vara

Se poate observa că în cazul pompelor de căldură aer-apă, eficienţa preparării apei

calde vara, este mai mare decât iarna. În cazul celorlalte tipuri de pompe de căldură, nu

există diferenţe pentru această destinaţie a pompelor de căldură, deoarece temperatura

solului, şi temperatura apei freatice, se menţin relativ constante, tot anul.

În figura 3.95 este prezentată influenţa agentului frigorific, asupra eficienţei, pentru

câteva tipuri de pompe de căldură.

78

Page 79: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig. 3.95. Influenţa combinată a agentului frigorific şi a tipului pompei de căldură,

asupra eficienţei

a – sol-apă cu colectori verticali; b – apă-apă, c – aer-apă

14.3. Concluzii

Amplasamentul sau locaţia pompelor de căldură, destinaţia acestora, tipul şi agentul

frigorific, reprezintă câţiva parametri foarte importanţi, care prezintă influenţe

semnificative asupra eficienţei pompelor de căldură.

Agentul frigorific, este ales de producător, dar ceilalţi parametri reprezintă

condiţiile de lucru ale pompelor de căldură şi influenţa acestora este determinantă asupra

eficienţei cu care este utilizată energia geotermală în pompele de căldură.

În urma calculelor se observă că freonii R290 şi R404A conduc la o

eficienta mai mare, dar R290 (propan) ca agent frigorific este foarte inflamabil şi

poate fi utilizat numai în condiţii foarte restrictive, de exemplu pompele de căldură cu

acest agent, nu pot fi amplasate în interiorul casei.

În continuare am optat pentru R 407-C deoarece debitul aspirat de

compresor este mai mic ceea ce duce la scăderea dimensiunilor

compresorului, implicit la scăderea preţului de achiziţie a acestuia.

Avantaj al freonului R407C : este ecologic şi nu este inflamabil.

79

Page 80: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Pompa aer-sol datorită eficienţei termice scăzute nu este

recomandată deoarece duce la preţuri de exploatare ridicate.

Din punct de vedere al eficienţei termice cea mai bună soluţie este

varianta apă-apă, dar această variantă presupune existenţa unei pânze

de apă freatice cu un debit ridicat, vaporizatoarele să fie din oţei

inoxidabil. În plus utilizarea apei freatice trebuie aprobată de Regia

Apelor.

Varianta sol-apă cu colectori orizontali necesită o suprafaţă mare a

colectorului în jur de 400 m² şi are şi o eficienţă termică mai scăzută.

Varianta sol-apă cu colectori verticali este cea mai recomandată variantă deoarece

are o eficienţă ridicată (apropiată de eficienţa variantei apă-apă), nu necesită o suprafaţă

mare de teren şi are cea mai bună fiabilitate.

15. Proiectarea instalaţiei şi alegerea aparatelor componente

15.1 Alegerea efectiva a modelului de pompa de caldura

Aparatele componente au fost alese având în vedere rezultatele obtinute în urma

calculelor efectuate în capitolele precedente.

Pentru furnizarea energiei termice în instalatie s-a ales pompa de caldura Vitocal

300 Tip 108 model sol-apa cu colectori verticali, produsa de firma germană Viessmann,

care funcţionează la o putere maxima de 8,3 kW, astfel aceasta va putea acoperii

necesarul de căldură al locuinţei considerate, care este de 7,283 kW.

Fig. 15.1

Pompa de

caldura

80

Page 81: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Prin eficienta lor si prin dimensiunile compacte, pompele de caldura Vitocal 300

sunt concepute special pentru locuinte unifamiliale. Prin constructia compacta necesita un

spatiu mic de amplasare

Inima pompei de caldura Vitocal 300 consta in compresorul  "Compliant Scroll".

Acesta se remarca atat prin fiabilitate si siguranta in exploatare, cat si prin modul

silentios de functionare. Aceasta proprietate confera aparatului un plus de confort, chiar si

in cazul in care este amplasat in interiorul locuintei. Prin performantele sale tehnice,

compresorul Compliant Scroll functioneaza cu mare eficienta la o temperatura a

agentului termic de pana la 55°C pe tur.

Fig 15.2 Sectiune compresor Compliant Scroll

Sistemul de automatizare digital CD60 al pompei de caldura permite reglajul simplu

si confortabil prin dialogul de baza de meniuri afisate pe un display luminos.Sistemul de

autodiagnoza integrat va ajuta sa urmariti parametrii instalatiei de incalzire si sa

identificati cu usurinta eventualele disfunctionalitati ale pompei de caldura.

81

Page 82: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Functia de racire „Natural Cooling“

In zilele fierbinti ale anului puteti sa folositi pompa de caldura pentru racirea

cladirii prin intermediul functiei integrate "natural cooling". Prin instalarea unui

echipament suplimentar puteti beneficia de o instalatie de racire bazata pe transferul

termic cu solul sau apa din panza freatica.

Avantaje la prima vedere:

La functionarea in regim de incalzire monovalent, asigura incalzirea si prepararea

de apa calda menajera

Siguranta ridicata in exploatare, fiabilitate si functionare silentioasa datorita

compresorului Compliant Scroll complet ermetizat si cu dubla amortizare a vibratiilor 

Recomandat pentru temperaturi scazute ale sistemului de incalzire, de exemplu

incalzirea prin pardoseala 

Utilizabila pe tot parcursul anului ca sistem de incalzire

Pompe de caldura cu automatizare digitala, comandata de temperatura exterioara,

cu functie de racire integrata. Comanda cu meniuri cu afisare textuala si sistem de

diagnosticare integrat

Urmatoarele module sunt integrate: pompa de circulatie pentru circuitul de sol,

pompa de circulatie pentru circuitul de incalzire, incalzire adaugata cu rezistenta electrica

( 9 kW), grup de siguranta incorporat cu supapa de siguranta, manometru si aerisitor  

82

Page 83: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig 15.3 Elemente componente

83

Page 84: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Tab 15.1. Date tehnice

15.2. Alegerea boilerului pentru prepararea apei calde

Calculul de dimensionare a boilerelor pentru prepararea apei calde menajere, are ca

scop determinarea volumului acestora, cel puţin egal cu volumul zilnic necesar de apă

caldă.

În tabelele alăturate, conforme cu normele internaţionale, se observă că în cazul

preparării apei calde menajere la temperatura de 40°C cantitatea de apă trebuie să fie mai

mare decât în cazul preparării apei la 60°C, pentru a acoperi integral, consumul zilnic.

Consumuri de apă caldă menajeră în locuinţe

Consumuri de apă caldă menajeră în unităţi hoteliere, pensiuni şi cămine

Pentru dimensionarea orientativă, din punct de vedere termic, a sistemului de

preparare a apei calde menajere pentru locuinţe, în cazul utilizării surselor regenerabile

de energie, se poate considera un consum normal de apă caldă de 50 l/pers/zi, la

temperatura de 40°C. În cazul în care beneficiarul estimează că va depăşi consumul

84

Page 85: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

normal de apă caldă indicat în tabel, se va ţine seama de acest lucru şi se va dimensiona

boilerul pentru consumul de apă indicat de beneficiar.

Volumul minim al boilerului Vbmin, se poate calcula cu relaţia:

unde:

- n – numărul de persoane;

- Czn – consumul zilnic normat pe persoană, luat în considerare;

- tacm – temperatura apei calde menajere la punctul de consum;

- tar – temperatura apei reci la intrarea în boiler;

- tb – temperatura apei calde din boiler

În cazul utilizării energiei solare, sau energiei geotermale (pompe de căldură)

boilerele se vor supradimensiona faţă de volumul minim de apă, cu un factor de

supradimensionare f=1,5…2. În cazul preparării apei calde menajere la 40°C, acestă

supradimensionare are scopul ca în timpul utilizării apei calde, să nu fie sesizată o

scădere progresivă evidentă a temperaturii apei, datorate pătrunderii treptate în boiler a

apei reci care completează apa caldă consumată. În cazul boilerelor cu volumul minim

calculat după relaţia matematică prezentată anterior, pe măsură ce s-ar consuma apa caldă

din boiler şi aceasta ar fi înlocuită de apă rece, s-ar sesiza scăderea treptată a temperaturii

apei calde, ceea ce ar crea un fenomen de disconfort evident în cazul utilizării unor

cantităţi mai mari de apă caldă, la un moment dat (ex. în timpul duşului).

Tinând seama de cele menţionate anterior, volumul boilerului Vb, se va calcula cu

relaţia:

unde:

- f = 1,5…2 în cazul utilizării energiei solare sau a pompelor de căldură;

85

Page 86: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

În continuare va fi analizat cazul particular de dimensionare a boilerului pentru apă

caldă menajeră utilizand ca sursa regenerabila pompa de caldura, considerând o locuinţă

cu 4 persoane, un consum normal de apă caldă Czn=50 l/pers/zi .

Volumul boilerului, considerând temperatura apei din boiler tb=40°C şi factorul de

supraîncălzire f=1,5…2, va fi:

În acest caz se va alege un boiler de 300…400 l, prevăzut cu o serpentină racordată

la pompa de căldură şi o rezistenţă electrică pentru ridicarea zilnică a temperaturii până la

60°C. Astfel conform calculelor de mai sus am ales un acumulator de aget termic

Vitocell 100-E Tip SVP: 400, cu o capacitate maxima de 400l, produs de firma germană

Viessmann, indicat in special in combinatie pompe de caldura.

Ca avantaj, prezinta pierderi reduse de caldura datorita termoizolatiei de mare

eficienta de jur imprejur (fara freon).

86

Page 87: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Fig 15.4 Desenul de executie al boilerului

15.3 Alegerea sistemului de ventilatie cu recuperarea caldurii

Vitovent 300 recircula continuu aerul si indeparteaza mirosurile neplacute din

încapere cu un debit de pana la 180m3/h . Se poate comanda aerisirea confortabil

printr-un termostat de camera.  

Fig 15.5 Termostat reglabil

Schimbatorul de caldura recupereaza aproximativ 90% din caldura aerului

evacuat si incalzeste astfel aerul proaspat absorbit in cladire.  Dintr-un kWh de energie

electrica utilizat se recupereaza a 15 parte de energie.

Funtia de comutare pe racire pe timpul noptii

Vitovent 300 decide singur cand trebuie sa recircule caldura din incapere. Daca de

exemplu pe timpul verii este mai cald inauntru decat afara, se deschide ventilul

Bypass si da drumul aerului rece in incapere.  

Alergicii pot respira

Aerul este filtrat printr-un sistem cu filtru de polen. Astfel pot respira fara probleme si

persoanele alergice.

87

Page 88: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Avantaje la prima vedere:

Nivelul constant de umiditate din incapere impiedica aparitia igrasiei

Filtrarea aerului  – important pentru alergici

Economisirea costurilor de incalzire

Indepartarea mirosurilor din incapere

Functie de racire pe timp de noapte

Ferestre inchise - mai multa siguranta impotriva spargerilor si a

zgomotului

a) b)

Fig 15.6 Vitovent 300

a) Vedere in sectiune b) Vedere de ansamblu

88

Page 89: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

15.4 Alegerea sondelor verticale

Dimensionarea sondelor este puternic influenţată de tipul solului, de prezenţa apei

freatice, modul de dispunere a straturilor de roci, de compoziţia lui chimică. Pentru o

dimensionare preliminară se consideră o putere de extracţie a căldurii pe metru liniar de

sondă de 50W, o dimensionare exactă putându-se face doar la faţa locului de către echipa

de forare.

Din tabelul 15.2 pentru un necesar de caldura de 7,2 KW s-au ales două sonde de

75m din tub de politilen de 32x3 mm.

Tabelul 15.2 Dimensionarea sondelor

Putere de racire Qk(kW)

Sonde pentru sol DN 32x3 (tub dublu cu profil U), numar x

lungime (m)3.70 1 x 755.00 1 x 1006.50 2 x 657.50 2 x 758.40 2 x 8510.00 2 x 10011.00 3 x 7512.70 3 x 9016.80 4 x 9025.40 5 x 100

89

Page 90: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

16. Norme specifice de securitate a muncii pentru lucrări de instalaţii de încălzire

Pentru executarea lucrărilor efectuate în vederea realizării instalaţiei termice

aferente locuinţei unifamiliale considerate este necesară respectarea normelor specifice

de securitate a muncii pentru lucrări de instalaţii de încălzire, care sunt obligatorii pentru

toate activităţile cu acest profil. Aceste norme specifice sunt prevăzute de Legea nr. 5 din

1965 şi au fost modificate prin Decretul nr. 48 din 1969. Hotărârea Guvernului României

nr. 448 din 1994 privind organizarea şi funcţionarea Ministerului Muncii şi Protecţiei

Sociale a primit Avizul Consiliului tehnico-economic nr. 214 din 28 noiembrie 1995.

Normele specifice de securitate a muncii sunt reglementări cu aplicabilitate

naţională, care cuprind prevederi minimum obligatorii pentru desfăşurarea principalelor

activităţi din economia naţională în condiţii de securitate a muncii. Respectarea

conţinutului acestor reglementări nu absolvă agenţii economici de răspundere pentru

prevederea, stabilirea şi aplicarea oricăror alte măsuri de securitate a muncii, adecvate

condiţiilor concrete de desfăşurare a activităţilor respective.

Reglementarea măsurilor de securitate a muncii în cadrul normelor specifice de

securitate a muncii, vizând global desfăşurarea uneia sau mai multor activităţi în condiţii

de securitate, se realizează prin tratarea tuturor aspectelor de securitate a muncii la nivelul

fiecărui element al sistemului.

Prevederile sistemului naţional de reglementări normative pentru realizarea

securităţii muncii constituie alături de celelalte reglementări juridice referitoare la

sănătatea şi securitatea în muncă, baza pentru activitatea de concepţie şi proiectare a

echipamentelor de muncă şi tehnologiilor, autorizarea funcţionării unităţilor, instruirea

salariaţiilor cu privire la securitatea muncii, cercetarea accidentelor de muncă şi stabilirea

cauzelor şi responsabilităţilor, controlul şi autocontrolul de protecţie a muncii precum şi

fundamentarea programului de protecţie a muncii. Normele specifice de securitate a

muncii pentru lucrări de de instalaţii încălzire se aplică cumulativ cu Normele generale de

protecţie a muncii.

90

Page 91: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

Prezentele norme specifice se vor revizui periodic şi vor fi modificate ori de câte

ori este necesar, ca urmare a schimbărilor de natură legislativă survenite la nivel naţional,

a introducerii de tehnologii noi sau ori de câte ori este cazul.

Prevederile normelor specifice de securitate a muncii pentru lucrările de instalaţii

de încălzire se referă la modul în care se desfăfşoară angajarea şi repartizarea lucrătorilor,

dotarea cu echipamente individuale de protecţie, protecţia înpotriva incendiilor şi

exploziilor, organizarea locurilor de muncă, iluminat, ventilaţie, accesul în spaţii foarte

periculoase,manipularea, transportul şi depozitarea materialelor, efectuarea săpăturilor şi

a lucrărilor laînălţime. Prevederile de proiectare privind lucrările de instalaţii de încălzire

se referă la realizarea armăturilor şi la modul de utilizare a aparatelor de măsură şi

control.

Acest proiect a fost realizat în conformitate cu prevederile de proiectare privind

lucrărilede instalaţii de încălzire, iar în această ordine de idei s-a avut în vedere

asigurarea condiţiilor de securitate a muncii, iar soluţia tehnică adoptată asigură pe deplin

aceste condiţii.

91

Page 92: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

17. Concluzii

Conform studiului realizat cu ajutorul programului am evidenţiat eficienţa

optimizării valorilor unora dintre parametrii caracteristici anvelopei clădirii în vederea

implementării unei instalaţii de încălzire bazată pe surse regenerabile de energie. Având

în vedere că investiţiile în aceste echipamnte sunt foarte ridicate s-a urmărit justificarea

costurilor instalaţiilor, pentru a putea fi amortizate într-un interval de timp rezonabil.

Componentele sistemului de încălzire, ventilarea locuinţei şi încălzirea apei calde

menajere alese conform calculelor sunt produse de firma Viessman şi anume: pompa de

căldură Vitocal 300 Tip 108, boilerul pentru acumularea apei calde menajere Vitocell

100-E Tip SVP: 400, sistemul de ventilare Vitovent 300 şi sondele pentru sol pentru

colectarea energiei geotermale.

Sistemul de încălzire trebuie să asigure atât încălzirea locuinţei cât şi a apei calde

menajere, existând o diferenţă de temperatură între cele două cazuri. Am ales ca pompa

de căldură să asigure confortul termic din imobil, cat si încălzirea apei calde menajere.

În cazuri extreme cu perioade în care temperatura s-ar menţine sub valoarea luată

ca referinta la calcularea necesarului si anume de -12° C, necesarul termic pentru

încălzirea apei se face cu o rezistenţă electrică încorporată in pompa de căldură. Această

combinaţie este cea mai eficientă din punct de vedere economic deoarece diminuează

foarte mult costurile lunare pentru încălzire.

Amplasarea sistemelor de încălzire cu surse regenerabile de energie enumerate mai

sus sunt prezentate în cele ce urmează.

92

Page 93: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

18. Prezentarea instalatiei

93

Page 94: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

94

Page 95: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

95

Page 96: Incalzirea si prepararea alep calde cu ajutorul pompelor de caldura

96