Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cu-

noaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Partener:

Universitatea Transilvania din Brașov

Scoala Doctorală Interdisciplinară Departament: INSTALAȚII PENTRU CONSTRUCȚII

Ing. Alin Ionuț BREZEANU

TITLU (română): Abordarea integrată a sistemelor de pompe de căldură pentru atingerea nivelului nZEB

TITLU (engleză): The integrated approach of heat pump systems to achieve the Nearly Zero Energy Buildings (nZEB) level

Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. mat. Vasile CIOFOAIA

BRASOV, 2017

IOSUD UTBv- SDI- Finalizare teze -Anexa 6

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI ȘI CERCETĂRII ŞTIINŢIFICE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui(Dnei)……………………………………………………………………………………………

COMPONENȚA

Comisiei de doctort

Numită prin ordinul Rectorului Universității „Transilvania” din Brașov

Nr.8389 din 05.12.2016

PREȘEDINTE Prof.dr.ing. Ioan TUNS

Universitatea „Transilvania” din Brașov CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC Prof.dr.ing.mat. Vasile CIOFOAIA

Universitatea „Transilvania” din Brașov

REFERENȚI: Prof.dr.ing. Polidor BRATU Universitatea Dunărea de Jos, Galați

Prof.dr.ing. Liviu DRUGHEAN

Universitatea Tehnică de Cotrucții, București

Prof.dr.ing. Alexandru ȘERBAN Universitatea „Transilvania” din Brașov

Data, ora și locul susțienrii publice a tezei de doctorat: 20.01.2017 ora 10:00 sala JI1 corp J. Eventualele aprecieri sau obsevații asupra conținutului lucrării vă rugăm să le transmiteți în timp

util, pe adresa alin.brezeanu@unitbv.ro Totodată vă invităm să luați parte la ședința publică de susșienere a tezei de doctorat. Vă mulțumim.

3

CUPRINS CUPRINS Pg.

teza Pg. rezumat

CUPRINS 4 3 LISTĂ FIGURI: 8 - LISTĂ TABELE: 10 - LISTĂ CU NOTAȚII: 11 - 1 INTRODUCERE 13 9 2 STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR 17 11 2.1 Introducere 17 11 2.2 Surse alternative de energie 18 11 2.3 Tehnologia pompelor de căldură 19 - 2.3.1 Principiul de funcționare al pompelor de căldură 19 - 2.4 Clasificarea pompelor de căldură 22 11 2.4.1 Eficiența pompelor de căldură 23 - 2.5 Clădirea cu consum de energie aproape egal cu zero - nZEB 25 12 2.5.1 Definirea clădirii cu consum de energie aproape egal cu zero - nZEB 26 13 2.5.2 Analiza conceptului de pompă de căldură pentru clădiri nZEB 28 14 2.5.3 Clădiri nZEB realizate 33 16 2.5.4 Concepte din Anexa 32 36 - 2.5.4.1 Casa EcoTerra™ 38 - 2.5.4.2 Casa Alstonvale 39 - 2.5.5 Concepte din Anexa 40 40 - 2.5.5.1 NORONE- prima casă pasivă certificată din Norvegia 41 - 2.5.5.2 ZIJDEMAN-clădire ce folosește un prototip de pompă de căldură 43 - 2.5.5.3 NIST-clădire rezidențială, laborator de testare 44 - 2.5.5.4 SKARPNESS - proiect rezidențial cu sistem de încălzire centralizată 45 - 2.5.5.5 ØSTRE HAGEBY - proiect rezidențial cu sistem de încălzire centralizată 46 - 2.6 Abordarea integrată a pompelor de căldură 47 17 2.7 Obiectivele cercetării 48 18 3 MODELREA FIZICO-MATEMATICĂ A SISTEMULUI DE POMPĂ DE CĂLDURĂ 51 19 3.1 Introducere 51 19 3.2 Ciclul termodinamic al pompei de căldură 52 - 3.2.1 Ciclul ideal al pompei de căldură cu comprimare mecanică 52 - 3.2.2 Ciclul teoretic al pompei de căldură cu comprimare mecanică 56 - 3.2.3 Ciclul real al pompei de căldură cu comprimare mecanică 59 19 3.2.4 Analiza exergetică a ciclului real al pompei de căldură 61 21 3.3 Calculul ciclului frigorific al pompei de căldură 66 24 3.3.1 Pachetul de programe COOLPACK 66 - 3.3.2 Evaluarea eficienței sistemului pentru datele măsurate 67 25 3.4 Simularea numerică a transferului de căldură prin sistemul de pardoseală radiantă cu ajutorul programului COMSOL Multiphysics

70 26

4 PREZENTAREA CLĂDIRII EXPERIMENTALE ȘI A SISTEMULUI DE POMPĂ DE CĂL-DURĂ

76 29

4.1 Introducere 76 29 4.2 Prezentarea clădirii experimentale și a instalațiilor ce o deservesc 76 29 4.2.1 Prezentarea clădirii și a caracteristicilor sale termotehnice 77 30 4.2.1.1 Caracteristici termotehnice ale elementelor de închidere 77 30 4.2.1.2 Tipuri de spații și necesarul de energie 78 31 4.2.2 Descrierea instalației de pompă de căldură și a componentelor sale 79 32 4.2.2.1 Caracteristicile tehnice ale pompei de căldură 82 33 4.2.2.2 Sistemul de automatizare al pompei de căldură 83 33 4.2.2.3 Schimbătoarele de căldură verticale din sol 84 33 4.2.2.4 Pompele de circulație 86 - 4.2.3 Sistemul interior de distribuție al energie termice 88 - 4.2.3.1.1 Ventiloconvectoare de tavan și de perete 88 - 4.2.3.1.2 Pardoseala radiantă 88 -

4

4.2.3.1.3 Circuitele de radiatoare 89 - 4.2.4 Sistemul de control al pompei de căldură 90 - 4.2.5 Sistemul de monitorizare și achiziție de date 91 35 5 CERCETĂRI EXPERIMENTALE ȘI ANALIZA REZULTATELOR OBȚINUTE 92 36 5.1 Introducere 92 - 5.2 Obiectivele cercetărilor experimentale 92 - 5.3 Proceduri și considerații asupra tipului de analiză 93 36 5.3.1 Calculul coeficientului de performanță 93 36 5.3.2 Evaluarea factorului de performanță sezonier 94 36 5.3.3 Eficiența și eficacitate 95 37 5.3.4 Conceptul de clădire și sisteme cu nivel scăzut de exergie 97 38 5.4 Sezonul de încălzire 2015/2016 98 38 5.4.1 Analiza sistemului de pompă de căldură și a datelor măsurate 98 38 5.4.1.1 Funcționarea sistemului de pompă de căldură și consumul de energie 98 38 5.4.1.2 Influența temperaturii setate a agentului termic asupra performanței pompei de căldură

100 40

5.4.1.3 Analiza performanței sistemului de pompă de căldură și energia termică preluată din sol

102 40

5.4.1.4 Funcționarea sistemului radiant de încălzire în pardoseală 103 41 5.4.1.5 Evoluția temperaturilor interioare 104 41 5.4.1.6 Prepararea ACM și consumul de energie 105 42 5.4.1.7 Determinarea factorului de performanță sezonieră al perioadei monitorizate 107 43 5.4.1.8 Rezultatele analizei eficienței și eficacității 109 44 5.4.1.9 Rezultate din ziua reprezentativă pentru sezonul de încălzire 2015/2016 110 45 5.4.2 Evoluția temperaturilor din sol pe perioada sezonului de încălzire și influența lor asupra performanței pompei de căldură

112 46

5.5 Sezonul de răcire 2016 115 47 5.5.1 Analiza performanței sistemului de pompă de căldură și energia termică preluată din sol

116 48

5.5.2 Rezultate din ziua reprezentativă a perioadei monitorizate a sezonului de răcire 117 49 5.6 Analiza exergetică a sitemului de pompă de căldură 119 50 5.6.1 Subsistemul schimbător de căldură vertical 120 - 5.6.2 Subsistemul pompă de căldură 121 - 5.6.3 Subsistemul de distribuție a energiei termice 122 - 5.6.4 Subsistemul de livrare a energiei termice către mediul interior 123 - 5.6.5 Rezultatele determinărilor specifice analizei exergetice 123 51 6 SIMULAREA ȘI OPTIMIZAREA ENERGETICĂ A SISTEMULUI DE POMPĂ DE CĂL-DURĂ

126 52

6.1 Introducere 126 52 6.2 Dezvoltarea, designul și simularea 127 52 6.3 EnergyPlus 128 53 6.3.1 Ce este EnergyPlus? 129 - 6.3.2 Modul de funcționare al programului EnergyPlus 130 - 6.3.3 Interfața grafică cu utilizatorul-Openstudio 131 - 6.4 Descrierea modelului realizat în EnergyPlus 132 - 6.4.1 Modelarea clădirii 133 - 6.4.1.1 Estimarea sarcinii termice 134 - 6.4.1.2 Condițiile climatice 134 - 6.4.1.3 Aporturile interne 135 - 6.4.1.4 Iluminatul 135 - 6.4.1.5 Infiltrațiile 135 - 6.4.1.6 Modelarea sistemului de pompă de căldură 135 - 6.4.1.7 Schimbătorul de căldură din sol 137 - 6.4.1.8 Pompa de căldură 138 - 6.4.1.9 Circuite de încălzire/răcire 138 - 6.4.1.10 Apă caldă menajeră 139 - 6.4.1.11 Răcirea pasivă 139 - 6.4.2 Date de ieșire 140 -

5

6.5 Analiza rezultatelor simulării și evaluarea performanței energetice și a consumului anual de energie

140 53

6.5.1 Interpretarea și analiza rezultatelor comparative din sezonul de încălzire 143 54 6.5.2 Validarea rezultatelor simulării prin analiza comparativă a funcționării sistemului de pardoseală radiantă

146 57

6.6 Analiza profitabilității sistemului de pompă de căldură 148 58 7 POTENȚIALUL DE REDUCERE A EMISIILOR DE DIOXID DE CARBON PRIN FOLOSI-REA POMPELOR DE CĂLDURĂ

153 60

7.1 Introducere 153 60 7.2 Energia consumată de sectorul rezidențial și emisiile de GES 154 - 7.2.1 Trendul evolutiv al emisiilor de CO2 corespunzătoare condiționării spațiilor rezi-dențiale în Uniunea Europeană

155 -

7.2.2 Rolul anvelopei clădirii în reducerea emisiilor de GES 157 60 7.2.3 Contribuția pompelor de căldură în reducerea emisiilor de GES 158 61 7.3 Scenarii privind evoluția consumului de energie pentru condiționarea spațiilor rezidenți-ale între anii 2030-2050

162 -

7.4 Concluzii la final de capitol 163 63 8 CONCLUZII GENERALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE 165 64 8.1 Concluzii generale 165 64 8.2 Contribuții personale și elemente de originalitate 169 66 8.3 Perspective de dezvoltare ulterioară 171 67 BIBLIOGRAFIE 173 68

6

CONTENTS Pg.

thesis Pg. summary

CONTENTS 4 3 FIGURE LIST 8 - TABLE LIST: 10 - NOTATIONS LIST: 11 - 1. INTRODUTION 13 9 2 CURENT STATE OF RESEARCH 17 11 2.1 introduction 17 11 2.2 Alternative sources of energy 18 11 2.3 Heatpump tehnology 19 - 2.3.1 Operating principle of heat pumps 19 - 2.4 Classification of heat pumps 22 11 2.4.1 Efficiency heat pumps 23 - 2.5 The building energy consumption nearly zero - nZEB 25 12 2.5.1 Definition of building energy consumption nearly zero - nZEB 26 13 2.5.2 Analysis of the concept of heat pump for buildings nZEB 28 14 2.5.3 Buildings made nZEB 33 16 2.5.4 Concepts in Annex 32 36 - 2.5.4.1 House EcoTerra ™ 38 - 2.5.4.2 House Alstonvale 39 - 2.5.5 Conceptsin Annex 40 40 - 2.5.5.1 NORONE- first certified passive house in Norway 41 - 2.5.5.2 ZIJDEMAN-building a prototype that uses heat pump 43 - 2.5.5.3 NIST-residential building, laboratory testing 44 - 2.5.5.4 SKARPNESS - residential project with heating system 45 - 2.5.5.5 Ostra HAGEBY - residential project with heating system 46 - 2.6 The integrated approach of heat pumps 47 17 2.7 Research objectives 48 18 3 NUMERICAL AND PHISICAL MODEL OF HEAT PUMP SYSTEM 51 19 3.1 Introduction 51 19 3.2 Thermodynamic cycle of the heat pump 52 - 3.2.1 The ideal cycle of mechanical compression heat pump 52 - 3.2.2 Theoretical Cycle of mechanical compression heat pump 56 - 3.2.3 Real-cycle heat pump with mechanical compression 59 19 3.2.4 Exergetic analysis of real heat pump cycle 61 21 3.3 Calculation of the heat pump refrigerant cycle 66 24 3.3.1 Software package COOLPACK 66 - 3.3.2 Efficiency rating system for measured data 67 25 3.4 Numerical simulation of heat transfer through the radiant floor system

using the COMSOL Multiphysics software 70 26

29 4 THE BUILDING EXPERIMENTAL AND HEAT PUMP SYSTEM 76 29 4.1 Introduction 76 29 4.2 Presentation of experimental building and facilities 76 30 4.2.1 Presentation of the building and its characteristics 77 30 4.2.1.1 Characteristics of ventilation elements closure 77 31 4.2.1.2 Types of space and energy needs 78 32 4.2.2 Description of the heat pump and its components 79 33 4.2.2.1 The technical characteristics of the heat pump 82 33 4.2.2.2 Automation system heat pump 83 33 4.2.2.3 Vertical ground heat exchangers 84 - 4.2.2.4 Pumps 86 - 4.2.3 The interior distribution system 88 - 4.2.3.1.1 Ceiling and wall fancoils 88 - 4.2.3.1.2 Radiant floor system 88 - 4.2.3.1.3 Radiator circuits 89 -

7

4.2.4 Heat pump’s control system 90 35 4.2.5 The monitoring and data acquisition 91 29

5 EXPERIMENTAL RESEARCH AND ANALYSIS OF DATA 92 36 5.1 Introduction 92 - 5.2 Objectives of experimental research 92 - 5.3 Procedures and considerations on the type of analysis 93 36 5.3.1 Calculation of COP 93 36 5.3.2 Evaluation OF seasonal performance factor 94 36 5.3.3 Efficiency and effectiveness 95 37 5.3.4 The concept of building and systems with low exergy 97 38 5.4 The heating season 2015/2016 98 38 5.4.1 Analysis of heat pump system and measured data 98 38 5.4.1.1 Operation of the heat pump and energy consumption 98 38 5.4.1.2 Influence of the set temperature to heat the heat pump perfor-

mance 100 40

5.4.1.3 Performance analysis of heat pump system and heat taken from the ground

102 40

5.4.1.4 Operationof radiant floor heating system 103 41 5.4.1.5 Interior temperature evolution 104 41 5.4.1.6 DHW and energy consumption 105 42 5.4.1.7 Determination seasonal performance factor for the monitored

period 107 43

5.4.1.8 The results from the efficiency and effectiveness analysis. 109 44 5.4.1.9 Results from the representative day for the heating season

2015/2016 110 45

5.4.2 Evolution of soil temperatures during the heating season and their influence on heat pump performance

112 46

5.5 Cooling Season 2016 115 47 5.5.1 Performance Analysis system heat pump and heat taken from the

ground 116 48

5.5.2 Results from the representative day in the monitored period for the cooling season

117 49

5.6 Exergetic analysis of heat pump the system 119 50 5.6.1 Vertical heat exchanger subsystem 120 - 5.6.2 Heat pump subsystem 121 - 5.6.3 Heat distribution sSubsystem 122 - 5.6.4 Heat delivery subsystem 123 - 5.6.5 The results from analyze exergetic 123 51 6 SIMULATION AND OPTIMIZATION 126 52 6.1 Introduction 126 52 6.2 Develop, design and simulation 127 52 6.3 EnergyPlus 128 53 6.3.1 What is EnergyPlus? 129 - 6.3.2 EnergyPlus operation 130 - 6.3.3 Graphical user interface-Openstudio 131 - 6.4 Description of the model developed in EnergyPlus 132 - 6.4.1 Modeling Building 133 - 6.4.1.1 Estimation of the thermal load 134 - 6.4.1.2 Climatic conditions 134 - 6.4.1.3 Internal Contributions 135 - 6.4.1.4 Lighting 135 - 6.4.1.5 Infiltrations 135 - 6.4.1.6 Modeling the heat pump system 135 - 6.4.1.7 The vertical ground heat exchanger 137 - 6.4.1.8 Heat pump 138 - 6.4.1.9 Heating / cooling circuit 138 - 6.4.1.10 DHW 139 - 6.4.1.11 Passive Cooling 139 -

8

6.4.2 Output Data 140 - 6.5 Analysis and evaluation of energy performance simulation results and

annual energy consumption 140 53

6.5.1 Interpretation and comparative analysis of results for theheating season

143 54

6.5.2 Validation of simulation results through comparative analysis of the radiant floor operation

146 57

6.6 Profitability analysis for heat pump system 148 58 7 POTENTIAL OF EMISSION REDUCTION OF CARBON DIOXIDE USING

HEAT PUMPS 153 60

7.1 Introduction 153 60 7.2 Residential energy consumed and GHG emissions 154 - 7.2.1 Evolutionary trend of CO2 emissions corresponding compliance

residential premises in the European Union 155 -

7.2.2 The role of the building envelope in the GHG emissions reduction 157 60 7.2.3 The contribution of heat pumps in the GHG emissions reduction 158 61 7.3 Scenarios for energy consumption trends for conditioning residential pre-

mises between 2030-2050 162 -

7.4 Chapter conclusions 163 63 8 CONCLUSIONS AND PERSONAL CONTRIBUTIONS 165 64 8.1 General Conclusions 165 64 8.2 Personal contributions and original elements 169 66 8.3 Perspectives for further development 171 67 BIBLIOGRAPHY 173 68

9

1 INTRODUCERE

Utilizarea în mod accelerat a resurselor energetice fosile și necesitatea de a avea grijă de mediul înconjurător sunt probleme de interes major. Acestea sunt, de asemenea, principa-lele motive pentru care Uniunea Europeană (UE) s-a angajat să pună în aplicare obiectivele Protocolului de la Kyoto [80]: de a menține creșterea temperaturii globale sub 2°C, și de a reduce până în anul 2020 emisiile globale de gaze cu efect de seră (GES) cu cel puțin 20% față de nivelul emisiilor din1990.

Ca prim pas UE a pus în aplicare măsurile de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră cu 20% până în 2020 și s-a angajat să crească această reducere până la 30%. Marea majoritate a experților în probleme climatice atribuie încălzirea globală în principal GES, rezul-tate în urma activităților umane, în special arderii combustibililor fosili (cărbune, petrol și gaze) [66,101].

În UE, clădirile sunt responsa-bile pentru aproximativ 40% din consu-mul total de energie, fiind astfel un con-tribuabil important de GES: aproximativ 36% din totalul emisiilor de CO2 ale UE și aproximativ jumătate din emisiile de CO2 neincluse în sistemul UE de comer-cializare a certificatelor de emisii1 și are un mare potențial de reducere, cu cos-turi negative sau scăzute, a acestor emi-sii [84]. În acest sens, în anul 2002 a fost introdusă directiva pentru performanța energetică a clădirilor (EPBD) ca o iniți-ativă de reglementare pentru a îmbună-tăți performanța energetică a clădirilor. EPBD reprezintă o schimbare de para-digmă în regulamentele UE, de la cerin-țele de componente și sisteme individu-ale la un cadru general care se axează pe consumul total de energie a unei clă-

dirii. Valoarea minimă a performanței energetice este stabilită de fiecare dintre statele membre UE, considerând un nivel optim al costurilor și utilizând un anumit cadru metodologic compa-rativ. Această cerință națională trebuie să fie revizuită, cel puțin la fiecare cinci ani, pentru a reflecta progresul tehnic din sectorul construcțiilor.

Energia consumată de clădiri (emisiile de GES) și calitatea mediului interior sunt două aspecte aparent diferite, care însă trebuie tratate împreună. EPBD recunoaște acest lucru, afirmând că măsura de economie de energie trebuie să ia în considerare condițiile climatului interior, pentru a evita posibile efecte negative. O normă care se referă la reducerea consu-mului de energie și care nu face referire la condițiile de asigurare a calității mediului interior nu

1 Schema de comercializare a certificatelor de emisii de gaze cu efect de seră (EU ETS) este reprezentată de

promovarea reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră de către operatorii economici cu activități care generează

astfel de emisii, în așa fel încât îndeplinirea angajamentelor asumate de UE prin Protocolul de la Kyoto să fie mai

puțin costisitoare. Schema de comercializare a certificatelor de emisii de gaze cu efect de seră în cadrul Uniunii

Europene (EU Emission Trading Scheme – EU ETS), s-a aplicat în prima fază pentru perioada 01.01.2005 –

31.12.2007, iar a doua fază a schemei s-a desfășurat în perioada 2008 – 2012, corespunzând primei perioade de

angajament a Protocolului de la Kyoto. Cea de-a treia etapă a schemei EU ETS are o durată de 8 ani, în intervalul

1 ianuarie 2013–31 decembrie.2020. Acest instrument are ca scop promovarea reducerii emisiilor de gaze cu efect

de seră la nivelul Uniunii Europene și se bazează pe principiul “limitează și comercializează”, fiind un instrument

utilizat în cadrul politicii Uniunii Europene referitoare la schimbările climatice, neconstituind un mecanism pre-

văzut de Protocolul de la Kyoto [80].

10%

17%

20%21%

28%

4%

Sursa : International Energy Agency – IEA

Agricultură

Rezidențial

Industrie

Transport

Producere energie

electrică, termică

Altele

Figura 1.1-Ponderea emisiilor de CO2 pe sectoare de activitate în statele UE.

10

ar avea sens. Soluția pe termen lung în reducerea consumului de energie și a emisiilor de GES o reprezintă combinația dintre eficiența energetică, atât a clădirilor cât și a echipamente-lor și folosirea surselor de energie regenerabilă [42]. Aceste aspecte se regăsesc și în ulteri-oara reformare a directivei EPBD, din 19 mai 2010, care afirmă că toate clădirile construite după anul 2020 trebuie să aibă un consum de energie aproape zero [85]. Noua directivă re-formată consideră că noile „clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero” sunt cele ce au o performanță energetică foarte ridicată și care își acoperă necesarul de căldură, „într-o foarte mare măsură, cu energie din surse regenerabile, inclusiv cu energie din surse regenerabile, produsă la fața locului sau în apropiere”. Procesul de design și etapele inițiale de proiectare, oferă oportunități majore în realizarea clădirilor cu consum de energie aproape egal cu zero (nZEB). Pe durata etapelor de proiectare se pot aborda și dezbate parametri importanți care afectează performanța energetică a viitoarei clădiri [5]. Potrivit Articolului 9 din EPBD, începând cu anul 2020 clădirile nou construite trebuie să aibă un „consum de energie aproape zero”, fapt ce pune presiune pe sectorul de construcții să producă soluții pentru clădiri performante din punct de vedere energetic. Totodată, directiva definește la Articolul 2 , punctul 18, termenul de "pompă de căldură" ca un „mecanism, un dispozitiv sau o instalație care tran-sferă căldura din mediul natural, de exemplu din aer, apă sau sol, către clădiri sau instalații industriale, inversând fluxul natural al căldurii, astfel încât să circule de la o temperatură mai scăzută spre una mai ridicată. În cazul pompelor de căldură reversibile, acestea pot de ase-menea transfera căldura din clădire către mediul natural”[85]. Această definiție a pompei de căldură se bazează pe caracteristicile fizice ale transferului de căldură (energie) Figura 1.2. și are un caracter larg incluziv, reoferindu-se la orice mașină, dispozitiv sau instalație care face transfer de energie de la o sursă cu temperatură joasă la o sursă cu temperatură ridicată. Lasă, de asemenea, cale liberă folosirii tuturor tehnologiilor, modelelor inovatoare care au efi-ciență energetică ridicată, fie ele existente, sau viitoare. Fără a stabilii criterii asupra modului în care temperaturile joase sunt transferate către temperaturile utile, ne sunt prezentate posi-bilele sursele naturale de energie, însă fără a face referire la posibilitatea recuperării de căl-dură din aerul sau apa viciată. La realizarea transferului de energie, este nevoie de energie suplimentară, care, în funcție de tehnologie se poate face prin intermediul pompelor de căldură acționate cu energie mecanică produsă electric sau termic, cu absorbție și cu ejecție, acționate cu energie termică. Raportul dintre energia consumată pentru acționarea pompei de căldură și energia termică livrată de aceasta reprezintă aproximativ o treime, în funcție de tehnologia utilizată, de eficiența pompei de căldură și de condițiile climatice [17].

Datorită complexității și multiplilor parametrii care trebuie luați în considerare în cazul pompelor de căl-dură, calculul eficienței lor este o adevărata provocare. Eficiența va fi, corespunză-toare gradului de izolare a anvelopei clădirii, precum si condițiilor climatice aferente locației unde este instalat echipamentul. Această pro-vocare este parte a drumu-lui, de a reduce GES prin alegerea celei mai bune teh-nologii sau a celei mai potri-

vite pompe de căldură pentru condițiile oferite de fiecare locație. Folosirea energiei oferite de sol pentru asigurarea confortului în spațiile din clădiri prin utilizarea pompelor de căldură a crescut rapid în ultimii ani [20,21]. Cu toate acestea, o problemă în operarea lor o reprezintă procesul de colectare sau de cedare de căldură către sol și modificarea temperaturii acestuia, fapt care, în timp, poate afecta în mod negativ coeficientul de performanță (COP) [17].

Figura 1.2- Principiul de funcționare al pompei de căl-Sursa: EHPA/Alpha

11

2 STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR

Introducere

După 31 decembrie 2020, statele membre ale UE vor trebui să permită doar construcția de clădiri cu consum de energie aproape zero. Acest lucru înseamnă că, pe lângă clădiri bine izolate și evident, eficiente energetic, vor trebui implementate sisteme care folosesc energii din surse regenerabile pentru condiționarea spațiului și pentru prepararea apei calde menajere (ACM). În cazul clădirilor cu consum de energie aproape egal cu zero, ponderea sarcinilor termice se modifică considerabil, cea a necesarului de căldură scade și cea pentru ACM crește. Mai mult decât atât, în cele mai multe cazuri, ventilația mecanică este necesară pentru a realiza schimbul de aer necesar ca urmare etanșării clădirii, lucru demonstrat și de dezvol-tarea pieței din ultimii anii, care arată o integrare tot mai mare a agregatelor de ventilare de dimensiuni și capacități mici, concepute pentru sectorul rezidențial. Clădirile cu consum redus de energie au de obicei un nivel ridicat de izolare, ferestre eficiente energetic, o rată redusă de infiltrare a aerului exterior și sisteme de ventilație cu recuperare de căldură, pentru a reduce sarcinile de încălzire și răcire [84].

Utilizarea pompelor de căldură împreună cu sistemele radiante de încălzire și răcire este o soluție des întâlnită pe plan mondial. Conform Directivei Europene EPBD, pompele de căldură sunt cotate ca sisteme ce utilizează energie regenerabilă. În politicile de reducere a consumului de energie destinate sectorului de clădiri, promovate de Uniunea Europeană, pom-pele de căldură reprezintă una din soluțiile principale.

Pe lângă reducerea consumului de energie, utilizarea pompelor de căldură ar conduce și la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră [15]. Pe plan mondial, se constată utilizarea pompelor de căldură în special pentru clădirile noi și mult mai puțin la clădirile renovate sau modernizate. Excepție fac țările nordice, de exemplu Suedia, unde 30% din clădirile renovate și modernizate au fost dotate cu pompe de căldură ca sursă principală de încălzire.

Scenariul BLUE Map elaborat de Agenția Internațională pentru energie (IEA) se consi-deră că utilizarea pe scară largă a pompelor de căldură pentru încălzirea/răcirea spațiilor și prepararea apei calde de consum, duce la o economie de energie de 23% în sectorul reziden-țial. Totodată, scenariul presupune că nivelul emisiilor de dioxid de carbon la nivel mondial este strâns legat de consumul de energie și că emisiile de gaze cu efect de seră trebuie reduse la jumătatea nivelului lor actual până în anul 2050. De asemenea sunt examinate modalitățile în care introducerea de tehnologii noi, având emisii reduse de dioxid de carbon ar putea realiza această reducere la cel mai mic cost posibil, aducând în același timp, securitatea energetică în ceea ce privește dependența de redusele de combustibili fosili, precum și beneficii ca redu-cerea emisiilor de gaze cu efect de seră [65].

Surse alternative de energie

În prezent, resursele regenerabile de energie reprezintă aproximativ 9-10% din energia utilizată, cea mai mare parte fiind energia hidroelectrică și biomasa. Deoarece energiile eoli-ană, solară și geotermală sunt deja considerate ca fiind rentabile, într-un număr tot mai mare de țări se fac pași importanți pentru lărgirea segmentului de implementare a acestora. Situația actuală este caracterizată de creșterea foarte rapidă a sistemelor eoliene și solare și de înce-puturile promițătoare ale sistemelor de biomasă și de energie geotermală.

În general, se pot folosii trei tehnici pentru a exploata căldura disponibilă a solului, și anume: acviferele geotermale, rocile calde și pompele de căldură. În prezentul studiu, pentru exploatarea potențialului termic al solului, sunt luate în considerare doar pompele de căldură. În ultimele decenii, sistemele de pompe de căldură s-au folosit ca sursă alternativă de energie pentru încălzirea și răcirea atât a spațiilor rezidențiale, cât și comerciale. Această lucrare pro-pune utilizarea acestor sisteme pentru clădiri cu consum de energie aproape egal cu zero.

Clasificarea pompelor de căldură Pompele de căldură acționate electric transferă energia termică din surse regenerabile,

12

de la un mediu cu temperatură joasă, precum aerul, solul sau apa, într-un mediu de tempera-tură ridicată, care poate fi un spațiu, o clădire sau un sistem de încălzire a ACM [25]. Sistemele de pompe de căldură pot fi clasificate în funcție de sursa de căldură și fluidul de transfer termic folosit pentru distribuția energiei, așa cum sunt prezentate mai jos: a) Pompele de căldură ce au aerul exterior ca sursă sunt împărțite în pompe de căl-dură aer-aer și pompe de căldură aer-apă, în funcție fluidul de transfer termic utilizat pentru distribuția energiei (aerul sau apa pompei de căldură ). Cele aer-aer sunt cele mai des întâlnite deoarece, în general, sunt încorporate din fabrică într-un sistem unitar (mono-split). b) Pompele de căldură ce au apa ca sursă pot folosi apa extrasă din puțuri, lacuri, iazuri, pânza freatică, sau chiar apa de la colectoarele solare. Ele sunt, de asemenea, împărțite în două grupe, în funcție de fluidul de transfer termic utilizat pentru distribuția energiei și anume: apă-aer, care sunt pompele de căldură ce utilizează aerul pentru a transmite căldura către, sau dinspre spațiul condiționat și apă-apă, care sunt pompele de căldură ce folosesc apa ca sursa de căldură și tot apa pentru încălzirea sau răcirea spațiilor. c) Pompele de căldură ce au solul ca sursă sunt pompele de căldură ce folosesc solul ca mediu din care iau căldura sau în care evacuează căldura. Clasificarea acestora se face în funcție de tipul schimbătorului de căldură din sol, care poate fi: schimbător de căldură orizontal, vertical sau spiralat. Fluidul utilizat pentru distribuția energiei în sistemele ce sunt deservite de pompa de căldură este de obicei apa.

Cu toate că pompele de căldură care au aerul ca sursă sunt cele mai folosite sisteme, de obicei în zonele cu climă blândă, acestea sunt limitate, deoarece, pe măsură ce tempera-tura aerului exterior scade, scad atât eficiența cât și capacitatea lor de încălzire. Atunci când temperatura aerului exterior scade sub 0°C, pe vaporizatorul pompei de căldură începe să se depună gheață și pompa nu mai poate funcționa corect, acesta fiind motivul pentru care nu sunt folosite în zonele cu climă rece. La rândul lor, pompele de căldură care au solul ca sursă pot fi, teoretic, instalate oriunde, însă sunt mult mai folosite în zonele cu climă rece.

Folosirea solului ca o sursă de căldură sau ca mediu de evacuare a căldurii în sistemele de condiționare a spațiului este atractivă din punct de vedere termodinamic, deoarece tempe-ratura solului este aproape constantă de-a lungul anului față de temperatura aerului exterior. Bucla închisă a schimbătorului de căldură din sol constă într-un puț forat (cu diametrul de 75-150 mm) în care se introduc una sau mai multe bucle de țevi din polietilenă de înaltă densitate. Adâncimea forajului variază de obicei între 30 și 120 m [56].

Clădirea cu consum de energie aproape egal cu zero - nZEB

În ultimele decenii, încălzirea globală și grija cu privire la un posibil deficit energetic în viitor au dus la un interes substanțial pentru energia din surse regenerabile [22,79]. Având în vedere faptul că, în Europa fondul de clădiri este responsabil pentru aproximativ 40% din con-sumul total de energie, este necesară proiectarea clădirilor eficiente energetic și dezvoltarea unor tehnologii de încălzire și răcire bazate pe surse regenerabile de energie. Proiectarea de clădiri cu consum de energie aproape egal cu zero, reprezintă o sarcină dificilă prin prisma găsirii soluțiilor ce conduc la performanță energetică și costuri optime, soluții care necesită explorarea unui număr foarte mare de posibilități (combinații de măsuri de economisire a ener-giei și de sisteme de alimentare cu energie), toate aflate sub o metodologie insuficient definită [75]. Clădirile cu consum de energie aproape egal cu zero reprezintă un concept complex, astfel că nici dezvoltarea unei definiții concrete nu este o sarcină simplă. În literatura de spe-cialitate, sunt prezentate mai multe abordări pentru a defini acest concept, fiecare dintre ele evidențiind unele aspecte ale nZEB.

Pe larg vorbind, nZEB înseamnă folosirea a două strategii și anume: minimizarea sar-cinii termice pentru încălzire/răcire și adoptarea de sisteme eficiente de energie regenerabilă pentru a o satisface. Dar, chiar și după adoptarea unor astfel de măsuri de eficientizare ener-getică, clădirea va avea nevoie de energie pentru a putea funcționa [60].

În acest context, pompele de căldură joacă un rol cheie în furnizarea de energie ter-mică, necesară condiționării spațiilor de locuit. În ciuda gradului relativ scăzut de conștientizare

13

publică al acestei tehnologii eficientă din punct de vedere energetic, pompele de căldură au fost folosite în sectorul comercial de mai mult de 50 de ani. Acestea pot acoperii o bună parte din necesarul de energie termică al clădirilor rezidențiale mici, al celor comerciale și inclusiv al celor instituționale mari. Agenția SUA pentru Protecția Mediului (EPA) a catalogat pompele de căldură ca fiind cea mai eficientă energetic tehnologie pentru încălzirea și răcirea spațiilor [49].

Definirea clădirii cu consum de energie aproape egal cu zero - nZEB

Putem afirma că nu există o definiție globală pentru clădirile cu consum de energie aproape egal cu zero. Cu toate acestea, diferite țări și-au creat definiții naționale pentru a putea delimita cât mai bine clădirile cu consum redus de energie. Clădirea cu consum de energie aproape egal cu zero poate fi considerată, în general, clădirea care are o performanță ener-getică mai bună decât cerințele minime impuse de standarde în materie de eficiență energetică [31]. De obicei, clădirile cu consum redus de energie au sarcina termică semnificativ mai re-dusă decât cele care respectă doar cerințele minime în materie de performanță energetică, folosind mai puțin de 50% din energia consumată de clădirile care îndeplinesc doar cerințele minime. Pentru realizarea de astfel de clădiri este nevoie, pe de o parte, de metode și concepte ce diferă în funcție de particularitățile geometrice ale fiecărei clădiri, mediu climatic ș i resurse disponibile și, pe de altă parte de o abordare integrată și comprehensivă [13].

În literatura de specialitate, dedicată clădirilor nZEB, autorii subliniază frecvent lipsa din literatură a unei definiri concrete a sintagmei „aproape egal cu zero”. Această problemă a fost pe larg discutată în numeroase publicații însă, cu toate acestea, o valoare exactă pentru termenul „aproape” nu a fost adoptată. Aceeași situație s-a realizat și în cazul definirii terme-nului de „clădire cu consum de energie zero”, în care termenul „zero” nu este definit.

Calitatea aerului interior reprezintă un criteriu care nu trebuie neglijat într-o posibilă încercare de formulare a unei definiții pentru nZEB, această trebuind să menționeze cu preci-zie limita maximă de energie pe care o clădire o poate consuma pentru a fi nZEB.

România s-a aliniat cerințelor UE de a reduce consumul de energie și de a îmbunătății performanța energetică a clădirilor și a transpus în legislația românească prin Legea 372/2005, criteriile impuse de EPBD. Clădirile noi, pentru care recepția la terminarea lucrărilor se va efectua începând cu 31 decembrie 2020, vor fi clădiri al căror consum de energie din surse convenționale este aproape egal cu zero. Clădirile noi din proprietatea/administrarea autorită-ților administrației publice care urmează să fie recepționate după 31 decembrie 2018 vor f i clădiri al căror consum de energie din surse convenționale este aproape egal cu zero [88].

Spre deosebire de Romania care nu a definit în legislativul său criteriile pentru ca o clădire să fie catalogată cu consum de energie aproape egal cu zero, alte state europene precum Finlanda, Suedia, Norvegia sau Danemarca au făcut primii pași în definirea acestor condiții.

Multe țări europene iau în calcul energia primară, în timp ce altele folosesc pentru ace-

Figura 2.1-Limitele sistemului pentru clădirile nZEB [70]

14

leași calcule energia finală [75]. Energia finală este cea livrată clădirii, necesară pentru încăl-zire, apă caldă menajeră, răcire și electrocasnice. Energia primară este definită ca fiind canti-tatea totală a unei resurse naturale necesare pentru a produce o anumită cantitate de energie livrată utilizatorilor finali, inclusiv pierderile apărute în timpul proceselor de extracție, prelu-crare, transport, transformare și distribuție [57]. Condiția limită a clădirilor cu consum de ener-gie aproape egal cu zero este reprezentată în Figura 2.2. Cu toate acestea standardul și cri-teriile necesare atingerii nivelului nZEB trebuie definit, atât la nivel European cât și național [57].

Analiza conceptului de pompă de căldură pentru clădiri nZEB

Chwieduk [30] prezintă fundamentele pompelor de căldură, inclusiv principiile, ciclurile termodinamice, clasificarea surselor de energie regenerabile . Combinarea sistemelor solar-termice cu pompe de căldură este o soluție modernă foarte populară în rândul clădirilor cu consum redus de energie. Ideea de a utiliza diferite surse regenerabile de energie pentru pompa de căldură la o casă unifamilială este prezentată în Figura 2.3. Modelând transferul de căldură și funcționarea sistemului, au fost analizate diferite moduri de operare și descrise mo-delele strategiilor de control.

Klein, și alții [42] au investigat fezabilitatea reabilitării termice și echipării cu pompă de căldură a unei clădiri de locuit construită în anul 1970. După renovarea clădirii, pompa de căldură a realizat un factor de performanță sezonieră cuprins între 3,34 și 3,88.

Thygesen & Karlsson [98] au analizat trei sisteme diferite pompe de căldură, asistate de panouri solare montate în clădiri unifamiliale din Suedia. Sistemele analizate au fost cuplate astfel: sistem de panouri foto-voltaice și pompă de căldură, pompă de căldură și sistem solar termic și o pompă de căldură, un sistem fotovoltaic și sistem solar termic. În urma cercetărilor s-a ajuns la concluzia că sistemul fotovoltaic în combinație cu pompa de căldură reprezintă o variantă ce oferă randamente mai ridicate în comparație cu cealalte alternative. Wiberg, și alții (2014) au cercetat posibilitatea realizării unei clădiri cu zero emisii (nZEB), aflată în zona de climat rece din Norvegia, prin echilibrarea emisiilor provenite de la energia utilizată pentru funcționarea clădirii și a materialelor folosite în clădire cu cele din energia regenerabilă folosită din sursele de la fața locului. Conceptul nZEB, s-a bazat în principal pe cele mai noi tehnologii apărute de pe piață, fiind o așa-numită soluție „all electric”, care, în esență, reprezintă o clădire bine izolată, încălzită cu ajutorul unei pompe de căldură și în care producția de energie elec-trică a panourilor fotovoltaice este utilizată pentru a obține echilibrul în cazul emisiilor de CO2. Rezultatele au arătat că de-a lungul perioadei de monitorizare clădirea a avut un export net către rețeaua electrică cu consum de energie din rețea doar în timpul celor mai reci luni.

Kurnitski, și alții [70] au determinat, folosind un model de calcul, nivelurile de perfor-

Figura 2.2 - Utilizarea pompelor de căldură cu diferite surse de energie regenerabilă, într-o casă unifamilială [30]

15

manță energetică optime și costul optim, procedura fiind testată pe clădiri de referință din Es-tonia, iar rezultatele obținute au fost publicate. Conceptele au inclus, de asemenea, pompe de căldură sol-apă și pompe de căldură aer-apă. Consumul de energie al clădirii de referință a fost de 110 kWh/m2an, energie primară, consum ce include și energia necesară aparatelor de uz casnic. Diferența de la costul optim al investiției până la nivelul de performanță nZEB a fost calculată la aproximativ 239 €/m2, adică aproximativ cu 20% mai mare. Rezultatele numerice din studiu trebuie însă tratate ca fiind specifice Estoniei, fiind strâns legate de prețul energiei și de cel al manoperei din această țară.

Hamdy, și alții [39] consideră că găsirea de soluții cu cost optim pentru clădirile cu consum de energie aproape egal cu zero, în conformitate cu directiva EPBD, este o sarcină dificilă. Este necesară explorarea unui număr foarte mare de combinații posibile de măsuri de economisire a energiei și sisteme de alimentare cu energie, inclusiv cele din surse regenera-bile. Studiul introduce o metodă de optimizare bazată pe simulare, care este transparentă, eficientă și care nu necesită extrem de mult timp. Metoda are în vedere găsirea nivelurilor de performanță energetică și costul optim pentru un studiu de caz al unei clădiri unifamiliale, aflate în Finlanda. Diferite configurații ale elementelor de închidere, ale unităților de recuperare de energie, și ale sistemelor de încălzire/răcire, precum și diverse dimensiuni ale sistemelor solar-termice și fotovoltaice sunt explorate ca opțiuni prin intermediul unui proces de optimizare în trei etape. Compromisurile economice și de mediu rezultate în urma studiului arată că energia primară consumată, situată între 93 și 103 kWh/m2an, reprezintă un nivel de performanță ener-getică atins cu un cost optim. De asemenea autorii consideră că este fezabilă, din punct de vedere economic, atingerea valorilor de 70 kWh/m2an. Investiția în sisteme de încălzire ecolo-gice (de exemplu, pompe de căldură) este un element-cheie pentru găsirea soluției optime, însă punerea în aplicare optimă a sistemelor ce folosesc energia regenerabilă depinde în mare măsură de rata de evoluție a prețului energiei.

Sârbu și Sebarchievici [94] au oferit o analiză detaliată a literaturii specifice și repre-zentative a pompelor de căldură care au ca sursă solul, precum și progresele recente ale acestor sisteme. Principiul de funcționare și eficiența energetică a unei pompe de căldură au fost definite primele. Apoi, s-a realizat o introducere generală asupra pompelor de căldură și a dezvoltării lor, precum și o descriere detaliată a pompelor de căldură ce folosesc apa de su-prafață, apele subterane, și solul, fiind expuse pe scurt cele mai cunoscute modele și tehnici de determinare a răspunsului termic al solului în cazul schimbătoarelor de căldură din sol. În cele din urmă s-a analizat performanța energetică și economică a unui sistem ce are ca sursă solul și s-a ajuns la concluzia că pompele de căldură reprezintă o soluție cu un potențial sem-nificativ de eficiență energetică.

Dar, și alții [36] au investigat flexibilitatea cuplării pompei de căldură cu panourile foto-voltaice. În acest scop, au fost analizate două configurații hidraulice de pompe de căldură cu stocare a energiei termice și patru strategii de control diferite. Studiul a analizat o clădire uni-familială, tipic norvegiană, ale cărei proprietăți termice au fost ajustate pentru a se conforma standardelor norvegiene pentru case pasive. Simularea anuală a funcționării clădirii folosind aporturile interne normate, temperaturile interioare de calcul și orarul de ocupare a condus la sarcini de 18 kWh/m2an pentru încălzire. Rezultatele au arătat ca, cu un control adecvat, con-sumul propriu al clădirii ar putea fi îmbunătățit cu aproape 40 %, facturile anuale de consum de energie din rețea ar putea fi reduse cu 20% și numărul orelor de sarcini de vârf ar putea fi reduse cu 30%. Astfel, o flexibilitate semnificativă a clădirii este considerată ca fiind fezabilă, în situația în care este folosit un sistem de control al sistemului adecvat.

Georges, și alții [39] au investigat conceptul de încălzire cu aer în casele pasive din Norvegia și a încercat să rezolve problemele referitoare la magnitudinea variației temperaturii aerului de introducere, diferența de temperatură dintre camere, impactul aporturilor interne și influența pierderilor de căldură din conductele de ventilație. Rezultatele au evidențiat limitările sistemului centralizat de încălzire cu aer și au oferit linii de ghidare în materie de proiectare a acestor sisteme. Studiul nu s-a focalizat în mod direct pe acțiunea și funcționarea pompelor de căldură, dar ar putea fi aplicat în unele concepte integrate de pompe de căldură.

Vanhoudt, a construit un stand de testare în laborator pentru a examina potențialul unei

16

pompe de căldură în materie de răspuns față de variația sarcinii termice a clădirii. Cu acest stand de testare, a fost posibilă analiza comportamentului unei pompe de căldură montată într-o clădire rezidențială din Belgia, care era echipată fie cu panouri fotovoltaice, fie cu turbină eoliana (Figura 2.4). Sistemul s-a bazat pe un control activ al pompei de căldură, scopul aces-tuia fiind de a limita vârfurile de sarcină al necesarului de energie și de a maximiza consumul de energie electrică produsă la fața locului. În acest fel, controlul activ al pompei de căldură poate diminua costurile legate de investiții suplimentare pentru redimensionarea branșamen-tului electric, însă o analiză legată de costul pentru implementarea sistemului nu a fost încă realizată.

Marszal și alții au desfășurat o analiză a costurilor pentru a defini combinația optimă de cost între eficiența energetică și producția energiei regenerabile pentru o clădire nZEB dintr-un cartier rezidențial din Danemarca. Au fost luate în considerare atât sursele regenerabile de la fața locului, cât și opțiuni de aprovizionare din surse regenerabile din alte locații. În general, din punct de vedere economic, resursele provenite din alte locații au avut costuri mai mici decât cele de la fața locului, deoarece accesul la unele tehnologii recente este încă restrictiv din punct de vedere economic. Singura soluție de încălzire care folosește energie produsă la fața locului, a fost sistemul de pompă de căldură.

Clădiri nZEB realizate

Două clădiri tip duplex având destinația de locuință au fost construite în două locații diferite din Finlanda, ambele utilizând pompe de căldură [82]. După un an de monitorizare, nici una din aceste clădiri nu a întrunit cerințele minime pentru case pasive și au avut probleme în special cu controlul sistemelor de HVAC.

Casa solară unifamilială IEA5 a fost construită pentru târgul de locuințe Pietarsaari în 1994 [83]. Casa se încadrează în prezenta definiție finlandeză pentru case pasive, având un consum foarte redus de energie. Performanța casei a fost monitorizată până la sfârșitul anului 1996 și apoi anual. Din analiza rezultatelor monitorizării reiese că energia anuală necesară a fost de numai 7900 kWh, ceea ce înseamnă 48 kWh/m2an. Consumul mediu de energie ne-cesară pentru încălzirea spațiului a fost de 13 kWh/ m2an. Sistemul de încălzire se bazează pe o pompă de căldură cu comprimare mecanică ce are ca sursă solul, cu o capacitate de 8 kW, care este asistată de un sistem de colectoare solare cu o suprafață de 10m2. Energia termică produsă de pompa de căldură este stocată într-un rezervor de stocare cu o capacitate de 3m3, fiind distribuită mai apoi încăperilor printr-un sistem de încălzire în pardoseală de joasă temperatură. Sistemul fotovoltaic are o suprafață de 48m2 și este format din 45 de panouri (module de siliciu amorf), cu o putere de 2 kWp.

Salom și alții (2014) au monitorizat șase tipologii diferite de clădiri, amplasate în climate diferite și care folosesc tehnologii diferite.

Nu toate dintre ele îndeplinesc condițiile nZEB. Patru dintre clădiri au fost de tip casă unifamilială situate în Danemarca și Suedia, toate folosind pompe de căldură, analiza oferind însă o descriere sumară a acestora. Cele mai relevante sunt casa EnergyFlexFamily din Da-nemarca și casa Finnängen din Suedia.

Casa EnergyFlexFamily [92] (Figura 2.5) din Danemarca este mai performantă din punct de vedere energetic decât clădirea de referință definită în vechiul standard danez din 2008. Necesarul anual de energie pentru încălzirea spațiului, ventilare, ACM și energie elec-trică ( fără a include și energia pentru aparatele necesare funcționarii gospodărie) este mai mic de 30 kWh/m2an. Dacă se ia în considerare producția de energie electrică a panourilor fotovoltaice, EnergyFlexFamily poate fi considerată o clădire independentă din punct de ve-dere energetic, incluzând aici energia electrică consumată de electrocasnice și de bateria de acumulatoare a unui automobil electric. Sistemul de încălzire este format din două pompe de căldură și un sistem de colectoare solare. Una dintre pompele de căldură livrează energia termică necesară încălzirii spațiului, prin intermediul sistemului de încălzire în pardoseală. Cealaltă pompă de căldură este înseriată cu schimbătorul de căldură pasiv al sistemului de ventilație și produce energia termică necesară preîncălzirii aerului proaspăt și producerii ACM.

17

Sistemul de panouri solare în principal preîncălzește ACM, dar poate funcționa și pentru încăl-zirea spațiului. Eficiența schimbătorului de căldură pasiv este în jur de 85%.

Casa Finnängen din Suedia este prima clădire care a fost renovată în scopul de a avea un impact foarte mic asupra mediului. Finnängen a fost construită în 1976 și renovată în 2010. Clădirea are o structură de lemn cu decor de cărămidă, pereții sunt căptușiții cu un strat de material pentru etanșeizare, izolație externă și rigips, iar țiglele au fost schimbate cu un aco-periș din tablă, sistem de panouri fotovoltaice și colectoare solare. Din punct de vedere al anvelopării, clădirea poate fi clasificată ca și casă pasivă, fiind realizată în conformitate cu criteriile în vigoare, cu excepția plăcii peste sol, asupra căreia nu s-a intervenit. Energia termică necesară încălzirii spațiului este furnizată prin intermediul unui sistem de încălzire în pardo-seală și corpuri statice, care sunt alimentate de la o pompă de căldură asistată de panouri solare. În anul 2011, clădirea a utilizat 7202 kWh (28,6 kWh/m2), din care aproximativ 3000 kWh (12 kWh/m2) au fost consumați de pompa de căldură, iar 1000 kWh (4 kWh/m2) au fost consumați de sistemul de ventilație și de pompele de circulație ale sistemului încălzire. Restul de aproximativ 3000 kWh (12 kWh/m2) este reprezentat de consumul aparatelor electrocas-nice. Energia electrică provenită de la sistemul fotovoltaic a fost de 8356 kWh în 2011, produ-cându-se astfel, la fața locului, un plus de 1154 kWh [92].

Molin și alții (2011) au prezentat rezultatele și evaluarea unei clădiri nou construite într-o zonă cu case pasive din Linköping, Suedia. Astfel, au fost construite 9 case pasive în scopul de a fi eficiente energetic și de a avea consumul anual maxim, pentru încălzirea spațiului, de 21 kWh/m2. Condiția principală a fost aceea de a avea același aspect vizual ca și orice altă clădire din zona respectiva. Clădirile au fost încălzite cu agent termic de la rețeaua de termo-ficare, însă soluția cu pompă de căldură ar fi putut fi implementată la fel de bine. În urma studiului s-au identificat câteva exemple de posibile îmbunătățiri pentru viitor, deoarece clădi-rea avea deficiențe în izolația pereților și a acoperișului, locuri în care se creau punți termice, probleme cu izolația conductelor din interiorul clădirii, iar controlul schimbătorului de căldură pentru ACM nu era unul care permită funcționarea sa în spiritul eficienței energetice.

Studiul evaluează performanța energetică a unei zone rezidențiale, caracterizată de clădiri cu consum redus de energie și se bazează simulare în mediul IDA ICE4, precum și pe monitorizarea funcționării în condiții normale de exploatare al sistemului real. S-a folosit atât validarea anuală și orară prin modelarea fiecărei camere și a aporturilor de căldură interne.

O nouă abordare a modelării aporturilor interne de căldură, a pierderilor de căldură prin anvelopa clădirii și a influenței parametrilor climatici este prezentată pe baza datelor de utili-zare a timpului. Rezultatele obținute arată posibile îmbunătățiri în proiectarea, anvelopei clădirii și gestionarea și controlul sistemului de HVAC.

Abordarea integrată a pompelor de căldură

Abordarea integrată reprezintă un proces destinat să combine, să interpreteze și să transfere date în scopul abordării problemelor legate de un produs finit și anume consumul de energie, punând în lumină întregul lanț cauză-efect. Aceasta permite definirea obiectului ana-lizat în mod amplu și precis luând în considerare toți factorii ce influențează în materie de performanță funcționarea sistemelor de pompe de căldură.

Este bine cunoscut faptul că sistemele de pompe de căldură pot obține performanțe energetice mai bune în locațiile favorabile din punct de vedere climatic, în cazul în care încăl-zirea și răcirea sunt sarcini bine echilibrate și în cazul în care, pe termen lung, nu se produc dezechilibre în sol din cauza preluării excesive a căldurii.

Man și alții (2010) au ajuns la concluzia că pompele de căldură, atunci când sunt in-stalate în regiunile cu climat moderat, au valori ale COP-ului între 3 și 4, valoare cu 20-30% mai mare decât cea a sistemelor instalate în același climat și care folosesc aerul exterior.

Studiile anterioare au arătat că pompele de căldură cu eficiență ridicată, în cele mai multe cazuri au un impact pozitiv asupra emisiilor de gaze cu efect de seră și asupra economiei de energie. Cu toate acestea, eficiența lor poate varia în mod substanțial în funcție de factorii cheie ce trebuie considerați încă din faza de proiectare a unui astfel de sistem, cum ar fi:

18

necesarul de energie termică, care este influențat în mare măsură de gradul de izolare al clă-dirii și de climatul exterior, tipul de schimbător de căldură din sol, temperatura sursei, controlul sistemului și consumul de energie al acestuia și al dispozitivelor auxiliare și nu în ultimul rând de potențialul regenerativ al solului.

Majoritatea clădirilor din zonele climatice calde sau zonele climatice reci au sarcini ter-mice dezechilibrate, dominate de fie de necesarul de răcire sau de necesarul de încălzire. Atunci când se utilizează sisteme de pompe de căldură cuplate la sol în clădiri aflate într-un mediu climatic cald și dominate de sarcina de răcire, va fi trimisă către sol mult mai multă căldură decât va fi extrasă pe perioadele mari reci când sarcina de încălzire este mai ridicată. Acumularea excesivă de căldură din sol va creste cu siguranță temperatura acestuia, și în consecință, performanța sistemului de-a lungul anului va fi diminuată. În mod similar, atunci când sistemele de pompe de căldură sunt folosite în clădirile din zonele cu climă rece, domi-nate de sarcina de încălzire, cantitatea de căldura extrasă din sol de către pompa de căldură în timpul iernii este mult mai mare decât cea introdusă înapoi în sol în timpul verii. În aceste două situații folosirea sistemelor de pompă de căldură pentru încălzirea sau răcirea spațiilor necesită mărirea schimbătorului de căldură din sol, fapt care de multe ori poate fi restricționat de considerentele geometrice sau cele financiare [107].

2.5.1.1.1 Obiectivele cercetării

Cunoașterea modului în care trebuie proiectate clădirile eficiente energetic a crescut considerabil în ultimele decenii, în parte și datorită legislației, care a impus condiții din ce în ce mai stricte, ajutând la dezvoltarea de noi tehnologii în construirea clădirilor și a echipamentelor HVAC, dar și la noi metodele de calcul și au condus la definirea obiectivelor propuse în această lucrare :

realizarea unui studiu bibliografic sintetic și obiectiv privind stadiul actual al cer-cetărilor în domeniul utilizării pompelor de căldură în cadrul proiectelor de clădiri nZEB precum și al principalelor aspecte care prezintă interes în domeniu și care pot fi abordate în cadrul cercetărilor propuse.

determinăriea influenței acestor parametrii asupra performanțelor funcționale ale sis-temelor de pompe de căldură pentru condițiile climatice din țara noastră.

determinarea valorilor reale ale parametrilor de performanță ai pompelor de căldură, dar și a răspunsului și a capacității acestora de a realiza condițiile de climat interior pe timpul perioadelor cu vârfuri de sarcină, cauzate de factorii climatici.

stabilirea influenței pe care o poate avea funcționarea pompelor de căldură pe peri-oada vârfurilor de sarcină asupra proprietăților termice ale solului și, implicit asupra propriei performanțe.

determinarea criteriilor esențiale ce trebuie luate în calcul în procesul de alegere a tipului de pompă de căldură în funcție de condițiile climatice și geografice, dar și evaluarea eficientei pompei de căldură pentru condiții climatice exterioare diferite /ale sursei și măsurarea caracteristicilor ciclurilor de funcționare.

determinarea impactului sistemului asupra mediului și determinarea unei valori max-ime a investiției pentru care sistemul de pompă de căldură va deveni eficient și din punct de vedere financiar.

19

3 MODELREA FIZICO-MATEMATICĂ A SISTEMULUI DE POMPĂ DE CĂLDURĂ

Introducere

O parte considerabilă din cercetările desfășurate pe parcursul ultimului deceniu a fost ori-entată spre optimizarea performanței sistemelor de pompe de căldură cuplate la sol, iar acest studiu face parte din aceste eforturi. Aceste activități de cercetare s-au concentrat în special pe identificarea caracteristicilor termice ale solului (conductivitatea termică, rezistența la tran-sfer termic a forajelor și temperatura. Solul reprezintă o bună sursă de căldură, având în ve-dere temperatura lui constantă la nivele acceptabile, capacitatea lui disponibilă și posibilitățile de acumulare în spațiu și timp. Studiile realizate s-au axat în direcția realizării pectice a diferite tipuri de schimbătoare de căldură în sol, precum si a factorilor de care depind acestea, în special variația în funcție de evoluția temperaturii la suprafața solului. Evoluția temperaturii solului este practic constantă la 10 m adâncime și este egală cu temperatura medie anuală la suprafața solului [91]. În cazul în care se folosesc colectoare de suprafață (amplasate la 1,5-2m adâncime), variația temperaturii de la suprafața solului se simte cu un oarecare defazaj și poate influența performanța sistemului de pompe de căldură. Evoluția variației temperaturii din sol este prezentată în Figura 3.1.

Măsurătorile efectuate pe diferite tipuri de soluri au arătat că, în funcție de umiditatea solului, cantitatea de căldură ce poate fi preluată anual este de cca.30-60kWh/m2 de suprafață amenajată [91].

Ciclul termodinamic al pompei de căldură

Pentru a simplifica analiza funcționării ciclului pompei de căldură, se consideră că între sursele de căldură și agentul frigorific, schimbul de căldură se realizează în condiții ideale, adică la diferențe infinit de mici de temperatură [7]. Astfel, transferul termic presupune supra-fețe infinit de mari pentru schimbul de căldură realizat pe o durată infinit de mare, condiții care nu se pot regăsii în realitate. Din punct de vedere teoretic, aceste ipoteze au avantajul de a simplifica mult analiza termodinamică a ciclului. În aceste condiții temperatura sursei reci poate fi considerată egală cu temperatura de vaporizare a agentului frigorific, iar temperatura sursei calde poate fi considerată egală cu temperatura de condensare a agentului frigorific, situație în care sursa caldă poate fi denumită și mediu încălzit. Rolul acestor sisteme este de a ceda căldură mediului încălzit în scopul încălzirii sau menținerii unei temperaturi ridicate a acestuia. Căldura cedată Qk, numită uneori și căldură pompată, reprezintă sarcina termică a condensa-

torului �̇�𝑘, și reprezintă efectul util al acestor instalații. Sursa rece în general este reprezentată de o parte a mediului natural.

Ciclul real al pompei de căldură cu comprimare mecanică

În realitate, funcționarea pompei de căldură cu comprimare mecanică prezintă abateri în raport cu procesele teoretice analizate anterior, deoarece în condensator și vaporizator, tran-sferul de căldură dintre agent și sursa de căldură are un caracter ireversibil, consecință a di-ferențelor finite de temperatură la care are loc. Din pricina transferului de căldură din compre-sor, dintre vapori și pereții cilindrului, procesul de comprimare nu este întocmai adiabat rever-sibil, aspect la care se adaugă și faptul că, deplasarea agentului prin conducte, schimbătoare de căldură și compresor este însoțită de pierderi de presiune liniare și locale.

Datorită complexității proceselor reale de funcționare a pompelor de căldură cu compri-mare mecanică s-a impus într-o primă etapă introducerea unor ipoteze simplificatoare, care permit definirea unui ciclu de calcul a instalației.

Ciclul real de funcționare al pompei de căldură cu comprimare mecanică de vapori este prezentat în Figura 3.5.

Ipotezele simplificatoare pentru acest ciclu sunt: 1-2: procesul de comprimare se consideră a fi adiabatic dar ireversibil și în timpul său

entropia specifică vaporilor crește cu 𝛥𝑠𝑖𝑟𝑐 = 𝑠2 − 𝑠1; 2-2’-3-3’: proces de răcire-condensare-subrăcire în subrăcitor și condensator; 3’-4: procesul de laminare adiabată în ventilul de laminare, însoțit de creșterea entropiei

20

cu 𝛥𝑠𝑖𝑟𝑙 = 𝑠4 − 𝑠3; 4-1: procesul izobar-izoterm de vaporizare în timpul căruia agentul preia căldura de la

sursa rece; Schimburile energetice specifice ale agentului frigorific sunt:

𝑞0 = 𝑖1 − 𝑖4 = 𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑41𝑎 (3.18)

|𝑞𝑐| = 𝑖2 − 𝑖3′ = 𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑏22′33′𝑐=|𝑞𝑐𝑠|+|𝛥𝑞𝑐| = (𝑖2𝑠

− 𝑖3′) + (𝑖2 − 𝑖2𝑠) >

|𝑞𝑐𝑠|

(3.19) unde: 𝑞𝑐𝑠

reprezintă puterea termică specifică a agentului în ciclul frigorific teoretic, cu compri-

mare adiabatică reversibilă 1-2;

𝛥𝑞𝑐 creșterea puterii termice datorate abaterii procesului ireversibil de comprimare 1-2 raportat la cel izentropic;

Lucrul mecanic tehnic specific de comprimare:

|𝑙𝑐| = 𝑖2 − 𝑖1 = |𝑞𝑐| − 𝑞0 = 𝑎𝑟𝑖𝑎1𝑎𝑏22′33′𝑐𝑑41 = |𝑙𝑐𝑠| + |𝛥𝑞𝑐| =

(𝑖2𝑠− 𝑖1) + (𝑖2 − 𝑖2𝑠

) > |𝑙𝑐𝑠| (3.20)

𝑙𝑐𝑠

este consumul specific de lucru mecanic izentropic de comprimare.

Eficiența termică a ciclului

µ =|𝑞𝑐|

|𝑙𝑐|=

𝑖2−𝑖3′

𝑖2−𝑖1=

|𝑞𝑐𝑠|+|𝛥𝑞𝑐|

|𝑙𝑐𝑠|+|𝛥𝑞𝑐|= µ𝑡

1+𝛥𝑞𝑐𝑞𝑐𝑠

1+𝛥𝑞𝑐𝑙𝑐𝑠

< µ𝑡

(3.21) Relațiile precedente scot în evidență particularitatea pompelor de căldură și anume faptul

că ireversibilitatea procesului de comprimare este însoțită nu numai de mărirea consumului de lucru mecanic ci și de creșterea puterii termice a agentului [19]. Totodată ireversibilitatea con-duce la micșorarea lui µ în raport cu µ𝑡 = 𝑞𝑐𝑠

/|𝑙𝑐| .[91]

Randamentul intern al compresorului poate fi definit sub forma:

𝜂𝑖 =|𝑙𝑐𝑠|

|𝑙𝑐|=

𝑖2𝑠−𝑖1

𝑖2−𝑖1=

|𝑙𝑐|−|𝛥𝑞𝑐|

|𝑙𝑐|= 1 −

|𝛥𝑞𝑐|

|𝑙𝑐|< 1

Figura 3.1 - Ciclul real al pompei de căldură cu

21

(3.22)

Legătura dintre µ și µt se poate exprima prin intermediul lui ηi astfel:

|𝛥𝑞𝑐| = (1 − 𝜂𝑖)|𝑙𝑐| =1−𝜂𝑖

𝜂𝑖|𝑙𝑐𝑠

|

(3.23) Din (3.21) și (3.23) rezultă:

µ =|𝑞𝑐|+(

1

𝜂𝑖−1)|𝑙𝑐𝑠|

|𝑙𝑐|+(1

𝜂𝑖−1)|𝑙𝑐𝑠|

= (µ𝑡 − 1)𝜂𝑖 + 1 < µ𝑡

(3.24) Eficiența termică efectivă a pompei de căldură este diminuată de pierderile din compresor

și din motorul ce-l acționează.

µ𝑒 = µ ∙ 𝜂𝑚 ∙ 𝜂𝑒𝑙 = µ ∙ 𝜂𝑒𝑚 = [(µ𝑡 − 1)𝜂𝑖 + 1]𝜂𝑚 ∙ 𝜂𝑒𝑙 (3.25)

Astfel, sunt evidente inegalitățile:

µ𝑒 < µ < µ𝑡 < µ𝑐 (3.26) Pompele de căldură prezintă o particularitate aparte, având o sensibilitate foarte redusă

față de pierderile cauzate de ireversibilitate, care se explică prin faptul că pierderile de exergie se transmit parțial sau integral sursei de căldură de potențial ridicat.

Analiza exergetică a ciclului real al pompei de căldură

În determinarea bilanțului exergetic al pierderilor cauzate de ireversibilitatea internă și ex-ternă a proceselor care intră în componența ciclului de calcul se folosește ecuația fundamen-tală:

∑ 𝑒𝑞 = ∆𝑒 + ∑ 𝑙𝑡 + ∑ 𝜋𝑖𝑟𝑖𝑛𝑡

′

(3.27) în care:

∑ 𝑒𝑞 = 𝑒𝑞𝑐+ 𝑒𝑞0

–suma exergiilor căldurilor schimbate de 1kg de agent în grupul con-

densator și vaporizator;

∆𝑒 = 0–variația de exergie agentului cauzată de parcurgerea ciclului închis al pompei

de căldură;

∑ 𝑙𝑡 = 𝑙 –consumul de lucru mecanic tehnic specific de comprimare;

∑ 𝜋𝑖𝑟𝑖𝑛𝑡

′ = 𝜋𝑖𝑟𝑙

′ + 𝜋𝑖𝑟𝑐

′–suma pierderilor interne datorate ireversibilității interne a proce-

selor adiabatice de laminare și comprimare raportate la temperatura Ta a mediului ambiant

(𝜋𝑖𝑟𝑙

′ = 𝑇𝑎 ∙ ∆𝑆𝑖𝑟𝑙 , 𝜋𝑖𝑟𝑐

′ = 𝑇𝑎 ∙ ∆𝑆𝑖𝑟𝑐 )

De aici rezultă că:

𝑒𝑞𝑐+ 𝑒𝑞0

= 𝑙 + 𝜋𝑖𝑟𝑙

′ + 𝜋𝑖𝑟𝑐

′

22

(3.28) Deoarece 𝑙 < 0 și 𝑒𝑞𝑐

< 0, atunci (3.28) va putea fi definită ca:

|𝑙| = |𝑒𝑞𝑐| − 𝑒𝑞0

+ 𝑇𝑎 ∑ ∆𝑆𝑖𝑟𝑙,𝑐

(3.29) Pierderile cauzate de ireversibilitatea externă a proceselor de transfer de căldură între

agent și sursele de căldură se pot defini astfel:

𝜋∆𝑇𝑐

′ = |𝑒𝑞𝑐| − 𝐸𝑄𝑖

= |𝑞𝑐| (1 −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑞𝑐

) − 𝑄𝑖 (1 −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑖

)

(3.30)

𝜋𝑞0

′ = |𝐸𝑄0| − 𝑒𝑞0

= |𝑄𝑎| (1 −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

) − 𝑞0 (1 −𝑇𝑎

𝑇0)

(3.31) unde 𝐸𝑄𝑖

reprezintă exergia căldurii 𝑄𝑖 = |𝑞𝑐| preluată de la apa încălzită de la temperatura

termodinamică medie:

𝑇𝑚𝑖=

𝑇𝑖′′−𝑇𝑖

′

𝑙𝑛𝑇𝑖

′′

𝑇𝑖′

(3.32) 𝐸𝑄𝑎

reprezintă exergia căldurii 𝑄𝑎 = |𝑞𝑐| cedată de sursa de temperatură joasă la tempe-

ratura termodinamică medie:

𝑇𝑚𝑎=

𝑇𝑎′−𝑇𝑎

′′

𝑙𝑛𝑇𝑎

′′

𝑇𝑎′

(3.33)

𝑇𝑚𝑞𝑐=

𝑞𝑐

∆𝑆𝑞𝑐

temperatura termodinamică medie a agentului care evoluează în condensator.

Rezultă că:

𝜋∆𝑇𝑐

′ = 𝑇𝑎|𝑞𝑐| (1

𝑇𝑚𝑖

−1

𝑇𝑚𝑞𝑐

) = 𝑇𝑎|𝑞𝑐|𝑇𝑚𝑞𝑐

−𝑇𝑚𝑖

𝑇𝑚𝑖𝑇𝑚𝑞𝑐

= 𝑇𝑎∆𝑆∆𝑇𝑐

(3.34)

𝜋𝑞0

′ = 𝑇𝑎𝑞0 (1

𝑇0−

1

𝑇𝑚0

) = 𝑇𝑎𝑞0𝑇𝑚0−𝑇0

𝑇0−𝑇𝑚0

= 𝑇𝑎∆𝑆∆𝑇𝑣

(3.35) ∆𝑆∆𝑇𝑐

și ∆𝑆∆𝑇𝑐 sunt creșterile entropiei datorate entropiei ireversibilității proceselor de tran-

sfer de căldură între agent și sursele de căldură:

23

∆S∆Tc= |qc|

∆Tmc

TmiTmqc

; ∆S∆Tv= q0

∆TmvT0Tma

(3.36)

în care ∆𝑇𝑚𝑐

= ∆𝑇𝑚𝑞𝑐− 𝑇𝑚𝑖

și ∆𝑇𝑚𝑣= ∆𝑇𝑚𝑎

− 𝑇𝑚0 reprezintă diferențele temperaturilor ter-

modinamice medii în aceste procese de transfer de căldură. Astfel se poate spune:

|𝑒𝑞𝑐| = 𝐸𝑄𝑖

+ 𝜋∆𝑇𝑐

′ ; −𝑒𝑞0= −𝐸𝑄𝑎

+ 𝜋𝑞0

′ ;

(3.37) astfel că ecuația (3.29) devine:

|𝑙| = 𝐸𝑄𝑖− |𝐸𝑄𝑎

| + 𝜋∆T𝑐

′ + 𝜋q0

′ + 𝜋𝑖r𝑙

′ + 𝜋𝑖r𝑐

′

(3.38) De asemenea se poate observa că:

𝐸𝑄𝑖− |𝐸𝑄𝑎

| = 𝑄𝑖 (1 −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑖

) − |𝑄𝑎| (1 −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

) = |𝑞𝑐| − 𝑞0 − 𝑇𝑎 (|𝑞𝑐|

𝑇𝑚𝑖

−

𝑞0

𝑇𝑚𝑎

) = = |𝑙| − 𝑇𝑎 (|𝑞𝑐|

𝑇𝑚−

|𝑞𝑐|−|𝑙|

𝑇𝑚𝑎

) = |𝑙| − 𝑇𝑎 (1

𝑇𝑚𝑖

−1

𝑇𝑚𝑎

) |𝑞𝑐| −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

|𝑙| =

= |𝑙| 𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

(1 −𝑇𝑚𝑎

𝑇𝑚𝑖

) |𝑞𝑐| −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

|𝑙| (3.39)

Se va nota cu:

𝜇𝑐 =𝑇𝑚𝑖

𝑇𝑚𝑖−𝑇𝑚𝑎

=1

1−𝑇𝑚𝑎𝑇𝑚𝑖

(3.40) și reprezintă eficiența termică a unui ciclu Carnot inversat, delimitat de temperaturile 𝑇𝑚𝑖

și 𝑇𝑚𝑎, care realizează aceeași putere termică specifică 𝑞𝑐 ca și ciclul de calcul și cu consumul

de lucru mecanic al ciclului:

|𝑙𝑚𝑖𝑛𝑐| =

|𝑞𝑐|

𝜇𝑐

(3.41) rezultă că:

𝐸𝑄𝑖− |𝐸𝑄𝑎

| = |𝑙| −𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

|𝑙𝑚𝑖𝑛𝑐| −

𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

|𝑙|

(3.42) Realizând corelația relațiilor (3.34) până la (3.42) se va determina relația:

24

𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

|𝑙| =𝑇𝑎

𝑇𝑚𝑎

|𝑙𝑚𝑖𝑛𝑐| + 𝜋𝑖,e

′

(3.43) care va putea fi scrisă și sub forma:

|𝑙| = |𝑙𝑚𝑖𝑛𝑐|

𝑇𝑚𝑎

𝑇𝑎+ ∑ 𝜋𝑖,e

′

(3.44) în care ∑ 𝜋𝑖,𝑒

′ reprezintă totalitatea pierderilor provocate de ireversibilitatea internă și ex-

ternă raportate la temperatura 𝑇𝑎. Deoarece ∑ 𝜋𝑖,𝑒

′ = 𝑇𝑎 ∑ 𝑆𝑖,𝑒 se observă că (3.44) este independentă de variația tempera-

turii 𝑇𝑎 a mediului ambiant, pierderile fiind dependente doar de temepratura medie termodina-mică a sursei reci:

|𝑙| = |𝑙𝑚𝑖𝑛𝑐| + ∑ 𝜋𝑖,e

′

(3.45) unde: ∑ 𝜋𝑖,𝑒 = ∑ 𝑇𝑚𝑎

∙ ∆𝑆𝑖,𝑒 și reprezintă suma pierderilor determinate de ireversibilitate, rapor-

tate la temperatura 𝑇𝑚𝑎a amestecului de apă-glicol care se răcește în vaporizator și care re-

prezintă sursa rece a pompei de căldură. Randamentul exergetic al pompei de căldură se poate defini ca:

𝜂𝐸 =|𝑙𝑚𝑖𝑛𝑐|

|𝑙|= 1 −

∑ 𝜋𝑖,𝑒

|𝑙|= 1 − ∑ �̅�𝑖,𝑒 (3.46)

unde �̅� =𝜋

|𝑙| reprezintă ponderea unei pierderi oarecare în consumul de lucru mecanic al

ciclului.

Calculul ciclului frigorific al pompei de căldură

Pachetul de programe COOLPACK

Dezvoltarea pachetului de programe de simulare pentru instalații frigorifice COOLPACK a început în primăvara anului 1998, ca parte a unui proiect de cercetare. Obiectivul principal al proiectului a fost acela de a dezvolta modele noi simulare pentru a fi utilizate în optimizarea consumurilor energetice din cadrul sistemelor frigorifice.

Utilizatorii acestor modele ar fi tehnicienii frigotehniști, inginerii, cadrele didactice univer-sitare, studenții etc., pe scurt toate persoanele cu influență asupra consumului de energie din prezent și din viitor din cadrul sistemelor şi instalațiilor frigorifice [96].

Prima idee a fost aceea de a se realiza un program de simulare general și cuprinzător, care să permită utilizatorului să aibă toată flexibilitatea necesară în sensul manevrabilității mai multor scheme și investigații. Una dintre caracteristicile acestor tipuri de programe, cu caracter general și foarte flexibile, o reprezintă faptul că utilizatorul trebuie să introducă multe date de intrare, iar robustețea calculului este destul de scăzută. Experiența cu astfel de programe a arătat că nu suni tocmai ideale pentru utilizatorii menţionaţi mai sus, deoarece marea lor ma-joritate nu dispun de foarte mult timp pentru realizarea unei investigații și de aceea marea lor majoritate le consideră ineficace și de multe ori ele rămân neutilizate.

Ideea din spatele dezvoltării programului COOLPACK este diferita de cea prezentată mai sus. în loc să se realizeze un program mare, general și cuprinzător s-a mers pe ideea realizării

25

unei colecții de programe mici, robuste din punctul de vedere al calculelor și simulărilor și ușor de utilizat [96,97].

O simulare în COOLPACK se referă la investigarea unui singur sistem sau mașină frigo-rifică. Prin urmare necesită doar intrări legate de modul de funcționare al instalației, nu și intrări legate de structura internă a sistemului.

Programele din pachetul COOLPACK acoperă următoarele scopuri de simulare:

Calcularea proprietăților agenților frigorifici (diagrame de proprietăți, date termodina-mice și termofizice, comparații între agenți frigorifici);

Analiza ciclurilor (de exemplu comparație între ciclurile într-o treaptă I două trepte);

Dimensionarea sistemului (dimensionarea componentelor utilizând criterii generale);

Simularea sistemului (calcularea condițiilor de operare într-un sistem în care sunt cu-noscute continentele);

Evaluarea operării (evaluarea eficientei sistemului și sugestii pentru reducerea consu-mului de energie);

Calcularea componentelor (calcularea eficientei componentelor);

Simularea tranzitorie la răcirea unui obiect;

Evaluarea eficienței sistemului pentru datele măsurate

La calculul și evaluarea eficienței ciclului frigorific s-au folosit temperaturile medii măsurate pentru instalația frigorifică a pompei de căldură, rezultatele fiind reprezentate în Figura 3.6.

În condiții ideale ale ciclului frigorific, procesul de condensare se desfășoară în conden-sator astfel încât lichidul care rezultă din acesta este saturat [48], deci se găsește pe curba de lichid saturat din diagramă, la intersecția cu izoterma, respectiv izobara de condensare. În realitate condensul este ușor subrăcit (starea 4 pe diagramă)

Asemănător, în condiții ideale vaporizarea se încheie în vaporizator astfel încât vaporii care rezultă din acesta sunt saturați uscați [47], deci se găsesc pe curba vaporilor saturați, la intersecția cu izoterma, respectiv izobara de vaporizare. în realitate, de regulă vaporii sunt ușor supraîncălziți (starea 7 pe diagramă). Valoarea obținută pentru COP în condițiile tempe-raturilor medii măsurate de-a lungul perioadei de monitorizare este de 4,193, valoare apropiată de cea determinată pentru perioada sezonului rece (vezi capitolul 5).

Rezultatele obținute în urma analizei ciclului frigorific al pompei de căldură cu programul software COOLPACK sunt prezentate în Tabelul 3.1.

Tabel 3.1 Rezultatele calculului ciclului frigorific al pompei de căldură

Număr punct Temperatură Presiune Entalpie

[°C] [bar] [kJ/kg]

1 45.1 5.43 304.1

2 61.9 18.59 302

3 61.9 18.35 302.3

4 40.3 18.35 116.9

5 40.3 18.35 116.9

6 1 5.52 116.9

7 10.7 5.52 273.9

8 45.1 5.43 304.1

Cunoscând faptul că eficiența pompei de căldură este determinată de temperaturile de

vaporizare și de condensare s-a reluat calculul pentru valorile minime ale temperatura minimă măsurată ale amestecului de apă-glicol și pentru temperatura maximă, rezultatele fiind pre-zentate în figurile următoare.

26

Pentru cazul anterior al temperării medii de vaporizare s-a folosit valoarea de 5,7°C iar pentru cazul temperaturii minime de vaporizare măsurată pe perioada de monitorizare s-a fo-losit valoarea de -3,3°C, înregistrată în data de 21ianuarie 2016. În aceste condiții se poate observa o scădere a COP cu 26% până la valoarea de 3,327.

Simularea numerică a transferului de căldură prin sistemul de pardoseală radi-antă cu ajutorul programului COMSOL Multiphysics

Pentru a se determina fluxurile de căldură cedate de pardoseala radiantă, dar și influența factorilor exteriori asupra performanței funcționale ale sistemului de pardoseală radiantă va realiza simularea proceselor de transfer termic prin pardoseală în regim staționar. Simularea s-a realizat cu ajutorul programului COMSOL Multiphysics, modulul de transfer de căldură. Programul, prin intermediul acestui modul poate fi utilizat pentru modelarea tuturor tipurilor de transfer termic (conducție, convecție și radiație). Pentru rezolvarea ecuațiilor problemelor de transfer termic, este utilizată o structură matematică folosește sisteme de ecuații diferențiale cu derivate parțiale, a căror rezolvare se face în mod analitic, cu metoda diferențelor finite sau prin intermediul elementului finit [22,38].

Performanțele funcționale ale pardoselii radiante au fost simulate și apoi analizate pe un model ce are în secțiune aceeași geometrie cu cel real realizat în încăperile clădirii experimen-tale [39,41,44]. Caracteristicile geometrice și termotehnice ale straturilor ce se află în compo-ziția ale sistemului de pardoseală radiantă sunt prezentate în Tabelul 3.2.

Tabel 3.2 Caracteristicile geometrice și proprietățile termotehnice ale straturilor componente

Material Densitate [kg/m3]

Conductivitate termică [W/m•K]

Căldura specifică [J/kg•K]

Pietriș 2402 2,100 900

Izolație 40 0,035 920

Placă beton 2162 1,626 843

Izolație nituri 40 0,035 920

Șapa 1280 0,530 840

Parchet 642 0,170 1630

În planul al șapei se află montată pe stratul de izolație cu nituri serpentina, care este rea-

lizată din material PEXa cu coeficientul de conductivitate de λ=0,35 W/m•K. Rețeaua de discretizare definită în Figura 3.9. este de tip nestructurat cu elemente triun-

ghiulare, fiind alcătuită din aproximativ 20700 de elemente finite triunghiulare și aproximativ 2300 de elemente de margine.

În programul COMSOL se pot folosii două metode pentru rezolvarea condițiilor la limită [34]:

condiții la limită de tip Fourier, prin care exprimă transferul de căldură dintre o suprafață și un fluid în funcție de un coeficient de transfer termic;

extinderea modelului pentru a descrie transferul de căldură în fluid.[34,38]

Deoarece cea din urmă este cea mai precisă, este utilizată la simulării descrise de geo-metrii și debite complicate. Principalul mare dezavantaj al acestei metode este faptul că timpul de realizare a simulării devine foarte mare.

Condițiile la limită utilizate în această simulare sunt cele de tip Fourier și definesc o me-todă simplă și eficientă. Dificultatea majoră întâlnită la utilizarea acestei metode, este de a calcula sau specifica valoarea coeficientului de transfer termic [38].

27

În utilizarea sistemelor radiante se dorește o uniformitate a temperaturii pe suprafața lor, sens în care s-a studiat distribuția fluxului de căldură de la pardoseală la medul interior. Totuși, este cunoscut faptul că distribuția uniformă a temperaturii pe suprafața radiantă este

semnificativ influențată de pasul de montaj al conductelor de transport a agentului termic și de stratul superior de acoperire [38,43].

În Figura 3.10 se poate observa magnitudinea fluxului de căldură cedat de pardoseala

radiantă. Din graficul prezentat în figura precedentă se poate observa că în dreptul conductei de tur

valoarea fluxului unitar se încadrează între 32 și 33 W/m2 , valori ce sunt asemănătoare cu cele prezente în literatura de specialitate. Valoarea acestuia scade până în jurul valorii de 24 W/m2 în dreptul conductei de retur. Intensitatea fluxului unitar dar și valoarea temperaturii medii de pe suprafața pardoselii radiante sunt influențate în mare măsură de stratul de acoperire. În cazul straturilor de acoperire cu grosime relativ mică, caracteristica lor care are cea mai mare influență în cantitatea de flux de căldură cedată de suprafața radiantă este grosimea acestui și mai puțin caracteristicile termotehnice ale acestuia [38,42].

Deoarece temperatura agentului termic este parametrul care influențează cel mai mult fluxul de căldură cedat de sistemul de pardoseală radiantă mediului interior este foarte impor-tant ca randamentul acestui sistem să fie cât mai mare.

Temperaturi ridicate ale agentului termic înseamnă valori mai mici ale SPF pentru pompa

Figura 3.2 - Rețeaua de discretizare a pardoselii radiante

Figura 3.3 -Distribuția fluxului de căldură la suprafața sistemului de pardoseală radiantă

Flu

x

de

căl-

28

de căldură. Din acest motiv este de dorit ca o cantitate cât mai mare din energia produsă de pompa de căldură să fie livrată mediului interior și pierderile survenite pe acest traseu să fie cât mai mici.

În acest context s-a realizat un model numeric care cuprinde aceeași porțiune de pardo-seală radiantă dar și partea inferioară a peretelui exterior al clădirii. Rețeaua de discretizare a noului model este prezentată în Figura 3.11 b) și cuprinde 21103 elemente triunghiulare și 2500 de elemente de margine.

Analizând distribuția temperaturii din figura de mai sus se poate observa că pierderile de căldură prin peretele exterior sunt considerabile. Chiar dacă peretele exterior a fost izolat cu un strat de izolație (10cm), faptul că asupra fundației clădirii nu s-a intervenit amplifică pierde-rile de căldură către exterior, mai ales în zona de jos a peretelui. De asemenea așa cum se poate observa din graficul de migrație al fluxului de căldură (Figura 3.11 c)), aproape toată cantitatea de căldură cedată de cea mai apropiată conductă de perete este pierdută către exterior.

Reabilitatea termică a clădirilor trebuie să fie făcută într-un mod corespunzător, care să aibă în vedere toate părțile componente ale clădirii, pentru a limita cât mai mult pierderile de energie către mediul exterior. Acest aspect este cu atât mai important cu cât sistemele de pompe de căldură folosesc preponderent sisteme radiante.

Figura 3.4-a)Distribuția temperaturii; b) rețeaua de discretizare; c) direcțiile de mi-grație a fluxului de căldură

a)

b)

c)

29

4 PREZENTAREA CLĂDIRII EXPERIMENTALE ȘI A SISTEMULUI DE POMPĂ DE CĂL-DURĂ

Introducere

Pompele de căldură sunt parte a tehnologiei de tip ecologic care utilizează surse regene-rabile de energie, fiind menționate în directivele europene, precum cea ce se referă la utilizarea surselor regenerabile, de cea cu privire la performanța energetică a clădirilor (EPBD) sau cea ce se referă la produsele cu impact energetic (ErP). Pentru a realiza transferul de energie, este nevoie de energie suplimentară, care, în funcție de tehnologie sunt: pompe de căldură electrice, acționate de gaze și cu absorbție. Raportul dintre consumul de energie auxiliară și transferul energiei termice reprezintă aproximativ o treime în funcție de tehnologia utilizată, eficiența dispozitivului și condițiile de temperatură. În mod evident, ar trebui să fie stabilit un nivel minim de eficiență pentru a se asigura consumul de energie redus, astfel încât o pompă de căldură merită să fie considerată ca fiind un dispozitiv de energie durabilă.

Prezentarea clădirii experimentale și a instalațiilor ce o deservesc

O pompă de căldură de înaltă eficiență ce are solul ca sursă a fost instalată într-o locuință unifamilială aflată în Galați, Romania. Scopul principal al acestui proiect a fost acela de a rea-liza o clădire cu consum de energie aproape zero [24]. În acest sens, pe lângă gradul ridicat de izolare termică al clădirii, au fost folosite tehnologii și mai ales echipamente care să aibă un factor de performanță sezonieră ridicat (pompă de căldură, ventiloconvectoare, pompe de circulație) [98]. În acest subcapitol sunt descrise mai întâi clădirea, proprietățile termotehnice ale elementelor sale de închidere, urmate de prezentarea pompei de căldură și a sistemului hidraulic, dar și a caracteristicilor acestora.

Prezentarea clădirii și a caracteristicilor sale termotehnice

Clădirea studiată, unde a fost instalat sistemul de pompă de căldură și unde cercetările experimentale au fost efectuate, este o clădire rezidențială, unifamilială, cu o suprafață de 449 m2, desfășurată pe două nivele. Este o clădire istorică amplasată pe strada Mihai Bravu din Galați-Figura 4.1.

Figura 4.1 - Clădirea rezidențială din Galați, unde este instalată pompa de căldură

30

Caracteristici termotehnice ale elementelor de închidere

Zidăria este de cărămidă arsă (densitate 1750kg/m3 și căldură specifică 0,81kJ/(kg.ºC)),

iar grosimea ei variază între 400-500mm. Pentru a minimiza necesarul de energie al clădirii aceasta a fost izolată, grosimea izolației, grosimile elementelor de închidere, precum și carac-teristice termotehnice ale anvelopei fiind prezentate în Tabelul 4.1. Datorită faptului că clădirea studiată este una istorică, modificările aduse la exteriorul acesteia, în special la fațade, au fot minime, în acest sens izolarea pereților exteriori s-a realizându-se la interior.

Programul de funcționare al clădirii este unul tipic al unei locuințe unifamiliale, cu vârfuri de consum de energie dimineața de la ora 6.00 la 9.00 și seara de la ora 16.00 la ora 22.00, sistemul de pompă de căldură fiind capabil să livreze energia necesară clădirii chiar și în aceste perioade.

Tabel 4.1 Grosimile elementelor de închidere și caracteristicele lor termotehnice

Element al

anvelopei

Grosime zidărie

[mm]

Grosime izolație

[mm]

Coeficient de tran-smitanță

[W/m2K]

Perete exterior 500 100 0,234

Placă peste sol 200 200 0,178

Placă între nivele 200 100 0,445

Acoperiș - 150 0,210

Fereastră exterioară - - 0,901

Ușă exterioară - - 1,110

Tipuri de spații și necesarul de energie

Fațada principală a clădirii este orientată către sud, iar suprafața vitrată are un procent de 16,7% din totalul ariei pereților exteriori. Elementele vitrate exterioare sunt confecționate din lemn stratificat cu geam termopan triplu, iar ușile exterioare sunt fabricate din lemn masiv.

Datele fiecărei încăperi de la parter și de la mansardă (suprafață, volum, necesar de energie termică sunt prezentate în Tabelul 4.2.

Tabel 4.2 Date despre încăperi

Nume spațiu Orientare Arie

[m2]

Volum

[m3]

Necesar de ener-gie/m2

[W/m2]

Necesar de ener-gie/m3

[W/m3]

Part

er

Bucătărie V 13,69 49,28 31,73 8,81

Centrala Termică N 9,10 32,76 35,63 8,98

Casa scării N 17,10 61,56 24,85 6,90

Birou N 30,66 110,4 41,75 11,60

WC N 7,69 27,68 61,08 16,97

Sala Protocol E 20,68 74,45 54,47 15,13

Sala protocol E 20,50 73,8 42,18 11,72

Hol E 47,40 17,64 6,11 1,70

Birou S 46,05 165,78 46,20 12,83

Man

sard

ă Cameră SV 96,55 282,30 25,01 6,95

Dormitor SE 55,30 158,30 30,01 8,34

Dormitor N 26,87 68,46 31,50 8,75

WC N 8,10 21,06 64,77 17,99

31

WC N 4,87 14,76 65,44 18,18

Dresing N 8,15 29,34 28,75 7,99

Casa scării N 7,97 20,72 27,32 7,26

Descrierea instalației de pompă de căldură și a componentelor sale

În Figura 4.2. este prezentată o schemă simplificată a instalației de pompă de căldură. Instalația de pompă de căldură este constituită din trei schimbătoare de căldură verticale

(SCV) cu solul, pompa de căldură, șase pompe de circulație, cinci ventiloconvectoare de tavan la parter, trei ventiloconvectoare de perete la mansardă, două sisteme de încălzire in pardo-seală și un rezervor de stocare de 300 de litrii.

Sistemul de pompă de căldură este compus dintr-un circuit exterior si un circuit interior. Circuitul exterior reprezintă primarul pompei de căldură și este cuprins între schimbătorul de căldură în sol și vaporizatorul pompei de căldură, iar antrenarea lichidului vehiculat prin acesta este realizată de către pompa de circulație cu turație variabilă (P1) a pompei de căldură. Cir-cuitul interior reprezintă secundarul pompei de căldură și este cuprins de la condensatorul pompei de căldură până la rezervorul de stocare cu capacitate de 300l, vehicularea agentului

termic prin acesta fiind asigurată de pompa cu turație variabilă (P2) a pompei de căldură. Din rezervorul de stocare sunt alimentate două circuite ce deservesc pardoseala radiantă de la parter, acționate de pompele de circulație P3 și P4, două circuite ce alimentează ventilocon-vectoarele de la parter și de la mansardă, acționate de pompele P5 și P6, un circuit acționat de pompa P7, ce alimentează corpurile statice de la parter și alt circuit acționat de pompa P8 ce deservește corpurile statice de la mansardă. Rolul rezervorului de acumulare este de a prevenii eventuala ciclare a pompei de căldură, cauzată de succesiunea perioadelor de nece-sar de energie ale clădirii.

Pompa de căldură nu este una reversibilă, însă instalația a fost dotată cu un modul de răcire care prin intermediul unor vane deviatoare cu trei căi realizează reversibilitatea pompei de căldură, Prin acest modul se poate face și de răcire pasivă care are rolul ca în perioada de vară, când necesarul de răcire crește, să devieze fluidul din schimbătorul de căldură din sol către clădire și să îl vehiculeze prin circuitele interioare aferente pardoselii radiante și ventilo-convectoarelor.

Avantajul major al acestui mod de răcire este faptul că pentru răcirea spațiilor se con-sumă energie electrică doar de către pompele de circulație, fără a mai folosii compresorul

a) b)

Figura 4.2 - Pompa de căldură în: a) Modul de încălzire; b) Modul de răcire

32

pompei de căldură. În modul de încălzire (Figura 4.3 a) sursa pompei de căldură este reprezentată de sol prin

schimbătorul de căldură vertical, iar mediul de livrare al căldurii este spațiul interior al clădirii, care este conectat la condensatorul pompei de căldură prin intermediul circuitului secundar al acesteia. În modul de răcire (Figura 4.3 b) se preia căldura de la mediul interior, care de această dată este conectat la vaporizatorul pompei de căldură și transportată și mai apoi eli-berată în sol. În Figura 4.4 sunt prezentate fotografii ale pompei de căldură, modulul de răcire, amplasat deasupra pompei de căldură, boilerul pentru prepararea ACM și rezervorul de acu-mulare.

Caracteristicile tehnice ale pompei de căldură

Pompa de căldură este produsă de firma NIBE și are următoarele caracteristici:

Agentul frigorific folosit este R407C.

Este echipată cu un compresor controlat printr-un invertor, a cărei putere maximă ab-sorbită la 100% din capacitate este 3,2kW,400V.

Pompele de circulație de pe partea de primar, cât ș de pe partea de secundar au turație variabilă, puterile lor electrice maxime fiind 180W pentru secundar și 87W pentru pri-mar

Temperaturile de încălzire sunt 45ºC pentru tur și 35ºC pentru retur.

Temperaturile pentru răcire activă sunt 7ºC pentru tur și 15 ºC pentru retur

Reversibilitatea pompei de căldură este realizată prin de către modul de răcire, prin intermediul a patru electrovane cu trei căi.

Sistemul este controlat de către automatizarea proprie, care se bazează pe diferența de temperatură dintre valoare presetată de utilizator și valoarea temperaturii agentului de întoarcere de la rezervorul de stocare. În funcție de aceasta activează compresorul, îi controlează prin intermediul invertorului capacitatea sau îl dezactivează

Valorile de performanță ale pompei de căldură, testată de către producător în conformitate

a) b) c)

Figura 4.3-Imagini din camera tehnică ale sistemului de pompă de căldură a) Pompa de căldură; b)boiler ACM; c) rezervor acumulare

33

cu EN 14511 sunt prezentate în Tabelul 4.3.

Tabel 4.3 Performanța pompei de căldură la 100% din capacitate

0/35

Putere termică kW 8,89

Putere electrică kW 1,83

COP 4,85

0/45

Putere termică kW 8,63

Putere electrică kW 2,29

COP 3,77

10/35

Putere termică kW 11,22

Putere electrică kW 1,84

COP 6,11

10/45

Putere termică kW 10,92

Putere electrică kW 2,32

COP 4,72

Standardul EN14511 definește condițiile de lucru nominale pentru fiecare categorie de

dispozitive. În cazul pompelor de căldură saramură/apă, condițiile nominale standard la tem-peratură scăzută, pentru soluția salină sunt la 0°C (B0, B = soluția salină) și temperatura a apei de încălzire de 35°C (W35, W = apă) [69].

Această condiție este prescurtată 0/35. EN 14511 specifică patru niveluri de tempera-tură la care dispozitivele pot fi testate, așa cum au fost prezentate în tabelul anterior.

Sistemul de automatizare al pompei de căldură

Sistemul de automatizare al pompei de căldură este dezvoltat de producător, numai reprezentanții acestuia având acces la el. Funcționarea echipamentului se bazează pe tem-peratura de întoarcere a agentului termic de la consumator, senzorul de temperatură fiind am-plasat pe intrarea acestuia în condensator, în modul de încălzire sau pe vaporizator în modul de răcire.

În funcție de diferența de temperatură dintre valoarea predefinită a pompei de căldură și valoare măsurată a agentului termic de întoarcere, sistemul de automatizare pornește com-presorul și mărește succesiv, cu ajutorul invertorului capacitatea de funcționare a acestuia până ce temperatura de întoarcere a agentului termic atinge valoarea setată (Δt=0).

Sistemul de control setează automat viteza pompelor de circulație (partea de primar și partea de secundar ) în funcție de diferența de temperatură optimă presetată între liniile de alimentare și retur [23,81].

Automatizarea proprie a pompei de căldură permite monitorizarea și controlul a maxim patru sisteme interioare de climatizare prin același principiu descris mai sus. Pentru a realiza acest lucru se folosesc module de control separate, prin intermediul cărora, pe baza diferenței de temperatură a turului și a returului de pe respectivele sisteme se controlează turația pom-pelor de circulație.

Schimbătoarele de căldură verticale din sol

Schimbătorul de căldură din sol este realizat din trei sonde verticale de tip U, fiecare având 100m adâncime Diametrele forajelor și ale conductelor folosite sunt prezentate în Tabelul 4.4.

34

Tabel 4.4 Dimensiuni foraj, schimbător de căldură din sol

Schimbătorul tip U Tip Dimensiune [mm]

Diametrul Forajului 110

Diametrul exterior conductă 35

Diametru interior conductă 32

Distanța între conducte 50

Poziția efectivă în teren a forajelor și distanțele dintre ele sunt prezentate în Figura 4.5.

La capătul țevilor schimbătorului de căldură vertical s-a montat o piesă specială tip U care a fost introdusă în foraj, iar cele două țevi al fiecărui schimbător de căldură au fost prinse între ele la fiecare 3 metrii, pentru a se asigura că cele două nu

se ating. Materialul din care au fost confecționate țevile este polietilena de înaltă densitate (PEÎD). Spațiul dintre țevi și peretele forajului a fost umplut, după tubarea forajului, cu bento-nită. Acest material este folosit cu precădere în cazul schimbătoarelor de căldură verticale pentru a favoriza transferul termic între schimbător (țevi) și pereții forajului. Conductivitatea termică a bentonitei folosită în acest tip de aplicații variază între 1,7-3,3 W/m•K [2]. Țevile orizontale sunt conectate într-un sistem distribuitor-colector amplasat la intrarea din exterior a țevilor în camera tehnică (Figura 4.6 ).

Imagini surprinse în timpul procesului de forare sunt prezentate în Figura 4.7. Fluidul folosit în schimbătoarele de căldură din sol este apa cu glycol, deoarece în anumite situații se pot atinge temperaturi negative pe returul pompei de căldură către sol. Adâncimea la care se află partea superioară a fiecărui foraj este 2 m de la suprafața solului. Acestea sunt colectate în camera tehnică lângă pompa de căldură, de unde amestecul de glycol cu apă este condus spre vaporizatorul pompei de căldură.

a) b)

Figura 4.4 - Schibătoarele de căldură din sol; a) poziția lor; b) piesa montată capătul țevilor

35

Schimbătoarele de căldură din sol sunt conectate în paralel, vane de echilibrare hidrau-lică fiind instalate pentru fiecare foraj pentru a garanta o curgere uniformă pe ce cele trei cir-cuite din sol.

Sistemul de monitorizare și achiziție de date

Sistemul de achiziție de date folosit este unul incorporat în sistemul de control al pom-pei de căldură. Înregistrarea principalilor parametrilor funcționali ai echipamentului se face re-gulat la intervale de 1 minut, datele înregistrate fiind socate în memoria internă a sistemului de control pentru o perioadă nelimitată (Figura 4.11). După ce această perioadă trece, datele memorate se înlocuiesc cu cele noi prin ștergerea și mai apoi memorarea celor noi în ordinea în care au fost scrise în memorie. Avantajul acestui sistem de monitorizare este că nu este intruziv, permițând monitorizarea în timp real a parametrilor funcționali, dar și setarea și func-ționarea la anumiți parametrii setați de utilizator.

Figura 4.5 - Imagini din timpul procesului de forare

36

5 CERCETĂRI EXPERIMENTALE ȘI ANALIZA REZULTATELOR OBȚINUTE

Proceduri și considerații asupra tipului de analiză

Calculul coeficientului de performanță

Eficiența performanței pompei de căldură, pentru funcționarea în condiții staționare, între două temperaturi date se face cu ajutorul coeficientului de performanță-COP, care este definit, în cazul pompelor de căldură cu comprimare mecanică acționate de un motor electric, ca raportul dintre energia termică furnizată și energia electrică folosită în acest scop [15].

𝐶𝑂𝑃 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑓𝑢𝑟𝑛𝑖𝑧𝑎𝑡ă

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡ă (5.1)

În cazul unei pompei de căldură ideale, energia termică produsă de pompa de căldură este determinată prin raportul dintre temperatura de condensare și diferența de temperatură. Astfel putem spune că valorile teoretice ale COP sunt dependente de diferența de temperatură dintre cele două surse. În Figura 5.1 este prezentată variația COP în funcție de temperatura de vaporizare și de temperatura de condensare.

După cum se poate observa, valoarea teoretică a COP este puternic dependentă de diferența de temperatură. Este important ca pompa de căldură să aibă o temperatură cât mai mare a sursei reci, dar, de asemenea, pentru a menține temperatura mediului încălzit (adică, temperatura de distribuție a sistemului de încălzire) cât mai scăzută posibil. În practică, COP realizabil de către pompa de căldură este mai mic decât COP ideal din cauza pierderilor din timpul transportului de căldură de la sursa rece la vaporizator și de la condensator la mediul încălzit. Cu toate acestea, evoluțiile tehnologice îmbunătățesc în mod constant performanța pompelor de căldură.

Evaluarea factorului de performanță sezonier

Eficiența pompei de căldură este evaluată la nivelul întregului sezon de încălzire/răcire cu ajutorul factorului de performanță sezonieră-SPF, este determinat ca fiind raportul dintre energia termică produsă de pompa de căldură și energia utilizată în acest scop [15,40].

În cadrul unei prime evaluări a SPF se consideră doar eneria termică furnizată de pompa de căldură pentru încălzirea spațiilor Qinc,PC și prepararea ACM, Qacm,PC având în vedere energia electrică consumată de compresor și sistemul de control Ecomp+cont.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CO

P

Temperatura ºC

Vaporizator

Condensator

Figura 5.1-Variația COP în funcție de temperatura de vaporizare și condensare

37

𝑆𝑃𝐹0 =𝑄𝑖𝑛𝑐,𝑃𝐶+𝑄𝑎𝑐𝑚,𝑃𝐶

𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝+𝑐𝑜𝑛𝑡 (5.2)

Valorile obținute pentru SPF sunt utile pentru a putea pune în evidență ponderea ener-gie electrice consumată de pompele de circulație de pe circuitele de primar Eprim sau secundar Esec.

𝑆𝑃𝐹1 =𝑄𝑖𝑛𝑐,𝑃𝐶+𝑄𝑎𝑐𝑐,𝑃𝐶

𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝+𝑐𝑜𝑛𝑡+𝐸𝑝𝑟𝑖𝑚+𝐸𝑠𝑒𝑐 (5.3)

Deoarece instalația de pompă de căldură aferentă clădirii experimentale este prevă-

zută și cu un încălzitor electric de rezervă, factorul de performanță sezonieră SPF2 evaluează și această energie termică Qinc,rez, dar și energia electrică consumată de aceasta Erez.

𝑆𝑃𝐹2 =𝑄𝑖𝑛𝑐,𝑃𝐶+𝑄𝑎𝑐𝑐,𝑃𝐶+𝑄𝑖𝑛𝑐,𝑟𝑒𝑧

𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝+𝑐𝑜𝑛𝑡+𝐸𝑝𝑟𝑖𝑚+𝐸𝑠𝑒𝑐+𝐸𝑟𝑒𝑧 (5.4)

Suplimentar față de SPF2, în calculul SPF3 se va considera și consumul de energie al

pompelor de circulație de pe circuitele interioare de încălzire Ecirc.

𝑆𝑃𝐹3 =𝑄𝑖𝑛𝑐,𝑃𝐶+𝑄𝑎𝑐𝑐,𝑃𝐶+𝑄𝑖𝑛𝑐,𝑟𝑒𝑧

𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝+𝑐𝑜𝑛𝑡+𝐸𝑝𝑟𝑖𝑚+𝐸𝑠𝑒𝑐+𝐸𝑟𝑒𝑧+𝐸𝑐𝑖𝑟𝑐 (5.5)

Deși factorul de performanță sezonieră este asociat cu un sezon întreg de încălzire

sau răcire, din cauza volumului mare de date măsurate și a fișierelor de dimensiuni mari, re-zultate în urma procesului de monitorizare, unele analize vor fi realizate pntru perioade mai scurte, de o zi sau o săptămână

Eficiența și eficacitate

Putem afirma că pompele de căldură care au solul ca sursă au, în general, un nivel de performanță superior celor care utilizează aerul exterior ca sursă. Chiar dacă factorul de per-formanță sezonieră este mai mic în cazul pompelor de căldură care au aerul ca sursă, trebuie avut în vedere tot sistemul în ansamblul lui. Deoarece eficiența furnizării energiei termice de către pompa de căldură variază în limite largi, nu poate fi luată în singură în considerare și aspectele care caracterizează cadrul general influențează semnificativ performanța sistemu-lui[15].

Eficiența se referă la raportul mărimilor de ieșire/intrare, în timp ce eficacitatea se referă la măsura în care sunt realizate obiectivele asumate. Scopul principal al pompelor de căldură constă în economia de energie pentru încălzire și în final de energie primară (Figura 5.2), situație în care este necesară luarea în considerare a calității energetice a anvelopei.

Indicatorul de performanță energetică EPI [kWh/(m2an)] al unei clădiri se determină ca raportul consumului anual de energie pentru încălzire și aria încălzită a clădirii.

EPI =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑢𝑙 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑟𝑢 î𝑛𝑐ă𝑙𝑧𝑖𝑟𝑒

𝐴𝑟𝑖𝑎 î𝑛𝑐ă𝑙𝑧𝑖𝑡ă 𝑎 𝑐𝑙ă𝑑𝑖𝑟𝑖𝑖 (5.6)

Consumul specific de energie primară PEC [kWh/(m2an)] este rezultatul raportării con-

sumului anual de energie electrică al pompei de căldură la eficiența de producere/ tran-sport/distribuție a acestuia eta precum și la aria încălzită a clădirii [15]

PEC =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑢𝑙 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐ă 𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑚𝑝𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝑐ă𝑙𝑑𝑢𝑟ă/𝑒𝑡𝑎

𝐴𝑟𝑖𝑎 î𝑛𝑐ă𝑙𝑧𝑖𝑡ă 𝑎 𝑐𝑙ă𝑑𝑖𝑟𝑖𝑖 (5.7)

Eficiența pompei de căldură trebuie privită în contextul condițiilor de funcționare ale

sistemului, eficacitatea întregului sistem fiind de fapt scopul final.

38

Conceptul de clădire și sisteme cu nivel scăzut de exergie

Atât economia de energie și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră sunt afectate de eficiența energetică a mediului construit și calitatea energiei în raport cu calitatea necesară a energiei. Luând în considerare aspectele calitative ale energiei se ajunge la introducerea conceptului exergie în analiza comparativă a sistemelor de pompe de căldură. Așa cum am mai precizat, exergia este energia, care este în întregime convertibilă în alte tipuri de energie. Energia cu valoare ridicată, cum ar fi energia electrică și lucrul mecanic sunt compuse din exergie pură. Energia, care are un potențial convertibil foarte limitat, cum ar fi căldura aproape de temperatura aerului din încăpere, este considerată ca energie cu valoare limitată. Sisteme de încălzire și răcire caracterizate de un nivel redus de exergie permit utilizarea tipului de energie limitată valoric, care, de obicei este livrată de sursele de energie durabilă precum pompelor de căldură. [56]

Sistemele de încălzire de temperatură joasă sunt sisteme "active" de încălzire care tre-

buie să se potrivească mediului construit. În timpul sezonului de încălzire, o caracteristică ter-mică ridicată a mediului și a spațiilor interioare, poate fi obținută odată cu folosirea de materiale de construcție bine izolate termic, care, astfel fac posibilă utilizarea surselor de căldură de temperatură scăzută pentru încălzirea spațiilor interioare.

În timpul sezonului de răcire, în spațiile interioare, în plus față de utilizarea materialelor bune izolatoare termic pentru anvelopa exterioară a clădirii, poate fi prevăzută o combinație de ventilare naturală, dispozitive de umbrire pentru ferestre, precum și reducerea aporturilor interne de căldură. Acest lucru ar permite utilizarea în procesul de răcire a surselor cu tempe-ratură ridicată [1].

Utilizarea conceptului exergie în descrierea diferitelor sisteme de încălzire și răcire, indi-ferent dacă acestea sunt pasive sau active, ne-ar permite să aibă o imagine mai bună a ceea ce sisteme de încălzire de temperatură joasă și temperatură ridicată de răcire sunt.

Sezonul de încălzire 2015/2016

Instalația de pompă de căldură a funcționat în modul de răcire între 30 Octombrie 2015 și 15 Aprilie 2016. Cercetările experimentale și tipurile de analize realizate pe perioada acestui sezon de încălzire au, în mare parte, scopul de a analiza modul de operare al pompei de căldură, a determina capacitatea instalației de a asigura parametrii interiori de confort și de a răspunde solicitărilor termice ale clădirii. De asemenea s-au putut trage concluzii referitoare la potențialul de economisire de energie și de îmbunătățire a performanței sistemului.

Analiza sistemului de pompă de căldură și a datelor măsurate

Funcționarea sistemului de pompă de căldură și consumul de energie

Pe perioada sezonului de încălzire sistemul a funcționat cu o temperatură interioară setată de 22ºC, pe tot parcursul zilei. Scopul principal a fost de a determina cantitatea de

Figura 5.2-Reprezentarea schematică a fluxurilor energetice dintr-o clădire [15]

39

energie care poate fi economisită instituind un regim de funcționare în care pe perioada zilei, când clădirea nu este ocupată temperatura interioară să fie setată la o valoare inferioară celei de confort, urmând ca după amiază să se revină la valoarea temperaturii interioare inițial se-tate. În acest sens, s-au monitorizat și comparat două zile diferite, care au temperaturii ex-terioare apropiate. Rezultatele sunt prezentate în Figura 5.3 și Figura 5.4.

Pe parcursul a 24 de ore de funcționare în modul de operare continuă, pompa de căl-dură a consumat aproximativ 45 de kWh, în timp ce în modul de funcționare intermitent a consumat aproximativ 39 de kWh, ceea ce reprezintă o economie de energie de 15%. În regi-mul de funcționare intermitentă, pe perioada din timpul zilei când temperatura interioară era setată pentru valoarea de 18ºC pompa de căldură a fost oprită doar aproximativ 2,5 ore până ce temperatura interioară a scăzut la 17ºC și termostatul a comandat pornirea pompelor de circulație, fapt ce a condus la pornirea pompei de căldură pentru aproximativ 1,5 ore. Urmă-toarea perioadă, până la ora 16, când temperatura interioară era setată tot pentru valoarea de 18ºC pompa de căldură nu a funcționat. Începând cu ora 16 termostatul interior a trecut pe valoarea 23ºC, și a pornit pompele de circulație care au condus la pornirea compresorului care a funcționat până la sfârșitul zilei. Economia de energie realizată prin modul de funcționare intermitent nu este foarte mare (7,69%), datorită faptului că după ora 16 pompa de căldură a trebuit sa funcționeze o perioadă lungă pentru a readuce temperatura interioară la 23ºC. În

Figura 5.3 - Regimul de funcționare continu al pompei de căldură

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

-5

0

5

10

15

20

25

Pute

re e

lectr

ică [

kW

]

Te

mp

era

tura

[ºC

]

Putere electrică Temepratura exteriaoră

Figura 5.4 - Temperatura sursei reci și temperatura sursei calde

30

35

40

45

50

55

60

30

35

40

45

50

55

60Te

mp

era

tură

[ºC

]

Te

mp

era

tură

[ºC

]

Retur Tur

40

unele studii din literatura de specialitate, în care s-au folosit pompe de căldură cu compresoare acționate electric, modul de funcționare intermitentă putea aduce economii de energie de până la 35% [25]

Influența temperaturii setate a agentului termic asupra performanței pompei de căldură

Pompa de căldură este controlată pe baza temperaturii returului de la rezervorul sto-cator, pe baza unei valorii presetate a temperaturii de întoarcere din rezervorul de stocare în funcție de înclinarea curbei de funcționare. Atingerea acestei valori în rezervorul de acumulare conduce la oprirea pompei de căldură. Temperatura agentului termic produs de pompa de căldură este analizată în funcție de temperatura agentului termic de pe returul de la rezervorul de acumulare, în scopul de a obține o relație între cele două temperaturi, așa cum este pre-zentat în Figura 5.5. Diferența medie de temperatură între turul și returul secundarului pompei de căldură, pe durata perioadei monitorizate a fost de aproximativ 4,5ºC.

După cum era de așteptat, COP-ul pompei de căldură crește pe măsură ce tempera-tura livrată a agentului termic scade, deoarece pentru aceeași cantitate de energie electrică consumată crește cantitatea energiei termice livrate (Figura 5.6).Pentru a putea analiza com-parativ datele din figura de mai sus, s-au monitorizat patru zile în care temperatura medie a amestecului glicol-apă, provenit din sol, a fost relativ constantă. Din datele din figura prece-dentă se poate observa că o scădere de 10ºC în valoarea setată pentru temperatura de livrare

a agentului termic către consumatori rezultă într-o creștere medie de 11% în valoarea COP, ceea ce înseamnă că la fiecare scădere de 1ºC în temperatura agentului termic produs de

pompa de căldură, valoarea COP crește cu aproximativ 1%. Performanța pompei de căldură depinde de asemenea și de temperatura sursei reci,

astfel se poate observa o creștere de aproximativ 13% în valoarea COP odată cu scăderea temperaturii setate pentru sursa caldă de 40ºC la 35ºC, dar și creșterii de temperaturii sursei reci cu 1ºC de la 7,6ºC la 8,6ºC.

Analiza performanței sistemului de pompă de căldură și energia termică prelu-ată din sol

Performanța pompei de căldură corelată cu temperatura provenită din sol au fost ana-lizate pe o perioadă de trei săptămâni, din data de 5 ianuarie până în data de 26 ianuarie 2016, perioadă în care pompa de căldură a fost setată să livreze rezervorului de acumulare agent termic la temperatura de 45ºC (Figura 5.5). Analizând datele obținute pe perioada de monito-rizare și determinând valoarea COP am putut observa că aceasta este influențată direct de temperatura amestecului de apă-glicol. Deoarece pompa de căldură a produs agent termic la

Figura 5.5 - Variația COP-ului în funcție de temperatura amestecului de glicol provenită de la SCV.

0

1

2

3

4

5

-10

-5

0

5

10

15

5-ian.

6-ia

n.

7-ian.

8-ian.

9-ian.

10-ian.

11-ian.

12-ian.

13-ian.

14-ian.

16-ian.

17-ian.

18-ian.

19-ian.

20-ian.

21-ia

n.

22-ian.

23-ian.

24-ian.

25-ian.

26-ian.

CO

P

Te

mp

era

tura

[ºC

]

COP Temperatura exterioară Temperatura de la SCV

41

o temperatură constantă pe toată perioada de monitorizare, temperatura mai scăzută a ames-tecului de glicol, provenită din sol, a generat o diferență de temperatură mai mare între cele două medii ale pompei de căldură, și în consecință valori mai mici ale COP-ului. De asemenea, se poate preciza că variația temperaturii exterioare nu a influențat în mod direct valoarea COP-ului, așa cum ar fi fost în cazul unei pompe de căldură ce are aerul exterior ca sursă. Influența acestei variații asupra performanței de funcționare a pompei de căldură este indirectă prin intermediul necesarului de căldură al clădirii, care este proporțional cu scăderea temperaturii exterioare și care conduce la o creștere a cererii de energie furnizată de pompa de căldură. Tot din analiza graficului de mai sus se poate observa că perioadele cu temperaturi exterioare scăzute se reflectă într-o scădere a temperaturii provenite din sol, care, însă, nu este cauzată direct de scăderea temperaturii exterioare, ci de perioada de funcționare a pompei de căldură, care lucrează mai mult pentru a compensa pierderile de căldură către exterior ale clădirii.

Funcționarea sistemului radiant de încălzire în pardoseală

Pe parcursul perioadei de monitorizare s-a observat că sistemul de pardoseală radi-antă reușește să mențină în interior condițiile optime de confort, temperatura aerului interior variind în acest interval între 20,5 și 22,3ºC.

Cu toate că temperatura exterioară a variat între 3,6 și 20,9ºC, temperatura aerului

interior a fost menținută la o valoare aproximativ constantă prin modificarea temperaturii de pe pardoseala radiantă de către vana de amestec din distribuitorul sistemului. Practic, prin dimi-nuarea temperaturii agentului termic vehiculat prin circuitele de pardoseală radiantă s-a reali-

zat o diminuare a fluxului termic cedat de aceasta către aerul interior, necesară datorită scă-derii pierderilor de căldură ale clădirii către exterior și implicit a necesarului de căldură al aces-teia.

Cererea mai mică de energie a sistemului de pardoseală radiantă se traduce prin mai puțină energie ce trebuie produsă de pompa de căldură și astfel un consum mai mic de energie electrică al compresorului și al pompelor de circulație.

Evoluția temperaturilor interioare

În Figura 5.9 este prezentată evoluția temperaturii medii zilnică interioară și evoluția temperaturii exterioare pe o perioadă de aproximativ o lună din data de 24 decembrie 2015 până în 02 Februarie 2016. Pe toată perioada de monitorizare temperatura interioară de con-fort a fost setată pentru valoarea de 22ºC, excepție făcând perioada dintre 03 și 28 ianuarie în

357911131517192123

20

22

24

26

28

30

32

34

36

4-M

ar-

16

5-M

ar-

16

6-M

ar-

16

7-M

ar-

16

8-M

ar-

16

10

-Mar-

16

11

-Mar-

16

12

-Mar-

16

14

-Mar-

16

15

-Mar-

16

16

-Mar-

16

17

-Mar-

16

18

-Mar-

16

19

-Mar-

16

20

-Mar-

16

21

-Mar-

16

23

-Mar-

16

24

-Mar-

16

25

-Mar-

16

26

-Mar-

16

27

-Mar-

16

28

-Mar-

16

30

-Mar-

16

31

-Mar-

16

1-A

pr-

16

2-A

pr-

16

3-A

pr-

16

4-A

pr-

16

5-A

pr-

16

Tem

pera

tură

[ºC

]

Tem

pera

tură

[ºC

]

Temperarura interioară Temperatura pe pardoseala radiantă Temperatura exteriaoră

Figura 5.6 - Temperatura pe suprafața radiantă funcție de necesarul de căldură

42

care utilizatorul a simțit un oarecare disconfort și a setat temperatura interioară a aerului la 23ºC.

Analizând datele obținute în urma monitorizării se poate observa că perioada de dis-confort termic resimțită de utilizator coincide cu perioada cu temperatură exterioară scăzută. Concomitent cu modificarea temperaturii interioare de confort, utilizatorul a pus în funcțiune și circuitele hidraulice ale radiatoarelor, al căror rol a fost de a suplimenta energia termică livrată mediului interior.

Pentru a întrunii noile condiții de confort pompa de căldură a trebuit să producă mai multă energie termică, ceea ce a însemnat o perioadă mai lungă de funcționare, un consum mai mare de energie și implicit valori mai mici ale COP-ului, cauzate în principal de valorile mai mici ale temperaturii amestecului de apă-glicol din sol. (vezi Figura 5.7)

În urma investigației evoluției temperaturilor măsurate ale aerului interior, pe perioada sezonului de încălzire (Figura 5.9), se observă o menținere a acestora în intervalul 21-23°C, care este de altfel și cel recomandat de standardele în vigoare.

Prepararea ACM și consumul de energie

Deoarece, în cadrul locuințelor, consumul de energie pentru producerea ACM repre-zintă între 15 și 25% [100] din energia consumată în locuințe pentru încălzire, s-a analizat consumul de energie pentru prepararea ACM pentru clădirea studiată. În Figura 5.10 sunt

Figura 5.8 - Evoluția temperaturii medii interioare în funcție de temperatura exterioară

20

21

22

23

24

25

-10

-5

0

5

10

15T

em

pera

tură

[ºC

]

Tem

pera

tură

[ºC

]

Temperatura exteriaoră Temperatura medie zilnică interioară

5545

4035

6.8 7.2 7.6 8.6

3.94.3

4.7

5.3

3

3.5

4

4.5

5

5.5

5152535455565

CO

P

Te

mp

era

tura

[ºC

]

Temperatura setată Temperatura sursă COP

Figura 5.7 - Temperatura de livrare a agentului termic și valoarea COP

43

prezentate rezultatele obținute în urma monitorizării temperaturii medii zilnice a ACM, numă-rului de ore de funcționare a instalației de pompă de căldură pentru prepararea ACM și deter-minările valorilor medii zilnice ale COP.

Astfel, se poate observa ca pe parcursul perioadei de 30 de zile temperatura ACM a fost aproape constantă, însă numărul de ore de funcționare a variat considerabil de la 1,6 la 3,5, fapt datorat pe de o parte, necesarului zilnic diferit de ACM și pe de altă parte temperaturii sursei reci. În zilele cu temperaturi exterioare mai scăzute funcționarea mai îndelungată a pompei de căldură pentru a produce energia termică necesară realizării condițiilor interioarei de confort conduce la o scădere a temperaturii amestecului de glicol provenit din sol, care afectează pe lângă performanța sistemului aferentă modului de „încălzire” și performanța pro-ducerii ACM. Acesta este unul dintre motivele pentru care valoarea COP a pompei de căldură pentru producerea ACM este mai mic în unele zile când s-au înregistrat valori ale temperaturii exterioare. De asemenea, valorile mai mici ale COP față de modul de funcționare „încălzire” se datorează diferenței de temperatură dintre cele două valori impuse ale pompei de căldură, în speță temperatura impusă pentru producerea ACM (55°C) și de temperatura setată pentru agentul termic al sistemului de încălzire (55°C). Vârfuri ale consumului s-au înregistrat în ge-neral în zilele de la sfârșitul săptămânii, când probabil utilizatorii au folosit o cantitate mai mare de ACM la treburile gospodărești.

Pe durata perioadei de monitorizare (sezonul de încălzire) pompa de căldură a funcți-onat în total, pentru producerea ACM, 346 de ore și a consumat 1117 kWh de energie electrică, ceea ce reprezintă o medie de aproximativ 64 de ore pe lună și 2,1 ore pe zi. În acest caz energia electrică consumată pentru producerea de ACM, pe durata sezonului de încălzire, reprezintă 16,1% din totalul de energie electrică consumată de pompa de căldură. Extrapolând rezultatele analizei de mai sus și considerând că energia electrică consumată lunar pentru producerea ACM este constantă pe tot timpul anului, putem afirma că pe durata unui an pompa de căldură va funcționa aproximativ 750 de ore și va consuma aproximativ 2413 kWh de ener-gie electrică. Deoarece metoda de producere a ACM este una eficientă (COP mediu 3,5),va-riantele posibile pe cate utilizatorul le poate adopta pentru a reduce și mai mult consumul de energie sunt limitate.

Determinarea factorului de performanță sezonieră al perioadei monitorizate

Pe parcursul sezonului de încălzire, pompa de căldură a consumat pentru prepararea agentului termic necesar asigurării condițiilor interioare de confort 6952kWh de energie elec-trică și a produs 29441kWh de energie termică, din care putem extrage aportul solului ca fiind 22488kWh.

40

42

44

46

48

50

52

54

56

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

Tem

pera

tura

[ºC

]

CO

P/O

re d

e f

uncționare

Nr. de ore de funcționare COP Temperatura ACM

Figura 5.9 - Temperatura ACM, COP și numărul de ore de funcționare ale pompei de căldură

44

În urma analizei datelor înregistrate pe perioada monitorizată au putut fi determinate con-sumul mediu zilnic de energie electrică, energia termică medie livrată de pompa de căldură, acestea fiind prezentate, împreună cu temperatura exterioară medie zilnică în Figura 5.11, pe bază de intervale săptămânale. În medie, pe zi pompa de căldură a preluat din sol 148 kWh și a livrat către clădire 183kWh, ceea ce corespunde unui consum mediu zilnic de energie elec-trică de 35kWh, fără a include aici și consumul de energie pompelor de circulație ale pompei de căldură și ale circuitelor de încălzire.

Factorii de performanță sezonieră, determinați pentru sezonul de încălzire sunt:

SPF0 -4,33;

SPF1-4,07;

SPF2-4,07;

SPF3-3,58

Diferențe semnificative se înregistrează între SPF0 și SPF1, deoarece la determinarea SPF1 s-au considerat și consumurile pompelor ce circulație aferente circuitelor de primar și secundar ale pompei de căldură, a căror funcționare este dependentă de funcționarea com-presorului pompei de căldură. Diferența insesizabilă dintre valorile obținute pentru SPF1 și SPF2 se datorează faptului că durata totală cumulată în care rezistența electrică suplimentară a fost necesară este de 2,5 ore, echivalent unui consum de energie electrică de 18kWh. Ener-gia electrică suplimentară a fost necesară pe parcursul unui vârf de necesar de ACM.

Cealaltă diferență semnificativă este înregistrată între SPF2 și SPF3, în determinarea că-ruia a fost luat în considerare consumul de energie al pompelor de circulație aferente circuitelor de pardoseală și cele ale circuitelor de corpuri statice.

Pe parcursul sezonului de încălzire, funcționarea sistemelor interioare de pardoseală radiantă a fost controlată printr-un termostat de ambient, amplasat într-una din încăperile de la parter. Deoarece circuitele de radiatoare au fost gândite să funcționeze ca un sistem supli-mentar, menit să ajute la sporirea confortului termic, pornirea și oprirea acestor circuite s-a făcut manual, de către utilizator prin intermediul sistemului de control interior al pompei de căldură care are capabilitatea de a controla funcționarea pompelor de circulație, aferente aces-tor circuite, pe baza diferenței de temperatură dintre tur și retur.

Sistemul de control al pompei de căldură nu a permis implementarea unei modalități de funcționare în cascadă a circuitelor de pardoseală radiantă și al celor de radiatoare. O astfel de posibilitate ar fi permis realizarea unor eventuale economii de energie prin scurtarea timpilor de funcționare a circuitelor de radiatoare, mai precis prin pornirea și oprirea automată a pom-pelor de circulație. Această opțiune a fost analizată prin simulare în capitolul 6.

Rezultatele analizei eficienței și eficacității

Indicatorul de performanță energetică EPI al clădirii a fost determinat ca raport al consu-mului anual de energie pentru încălzire și aria clădirii. În calculul indicatorului au fost folosite consumul de energie electrică al pompei de căldură pe durata sezonului de încălzire.

EPI=15,46 kWh/m2 an; În situația în care se consideră și consumul de energie pentru prepararea ACM valoa-

rea determinată pentru EPI devine:

EPI=20,81 kWh/m2 an;

Consumul specific de energie primară PEC a fost determinat prin raportarea consumu-lui anual de energie electrică al pompei de căldură la eficiența de producere a energiei electrice –eta, și mai apoi la aria clădirii.

PEC=63,07 kWh/m2 an;

45

La determinarea PEC s-au folosit consumurile cumulare de energie electrică ale pompei

de căldură pentru încălzirea spațiilor și pentru prepararea ACM, iar valoarea folosită pentru eficiența de producere a energiei electrice a fost eta=0,33.[15]. După cum se poate observa din datele prezentate în Figura 5.12 cel mai mare consumator de energie din clădire este pompa de căldură, urmată de electrocasnice, pompele de circulație și apa caldă menajeră.

Deoarece contorul de energie electrică a fost instalat de către furnizor la începutul lucră-rilor de reabilitare, în consumul de energie al electrocasnicelor se regăsește și energia elec-trică folosită pe perioada de reabilitatea a clădirii și de instalare a echipamentelor interioare de asigurare a confortului termic.

Rezultate din ziua reprezentativă pentru sezonul de încălzire 2015/2016

În ziua de 03 ianuarie 2016 din sezonul de încălzire 2015/2016 pompa de căldură a funcționat cu factori de performanță apropiați ca valoare cu cei determinați pentru întreg sezo-nul fiind aleasă ca zi reprezentativă. Pentru această zi sunt prezentate în Figura 5.13 puterea electrică consumată, temperatura exterioară dar și temperatura interioară. Din graficul puterii electrice consumate putem distinge faptul că pe parcursul a 24 de ore pompa de căldură a funcționat 17 ore iar pompele de circulație aferente circuitelor de încălzire au funcționat toate cele 24 de ore. În această perioadă sistemul de pompă de căldură a consumat aproximativ

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

0:0

0

1:0

0

2:0

0

3:0

0

4:0

0

5:0

0

6:0

0

7:0

0

8:0

0

9:0

0

10

:00

11

:00

12

:00

13

:30

14

:30

15

:30

16

:30

17

:30

18

:30

19

:30

20

:30

21

:30

22

:30

23

:30

Pute

re e

lectr

ică [

kW

]

Tem

pera

tura

[ºC

]

Puterea electrică Temperatura exterioară Temperatura interioară

Figura 5.11 - Puterea electrică a sistemului de pompă de căldură temperatura exterioară și temperatura interioară

Figura 5.10 - Energia medie zilnică livrată/consumată și temperatura medie zilnică pe perioada sezonului de încălzire 2015-2016

050100150200250

-5

0

5

10

15

30 o

ct-

5 n

ov.

6 n

ov.-

13

no

v.

14 n

ov.-

20…

21 n

ov.-

27…

28 n

ov.-

4 d

ec.

5 d

ec.-

11

de

c.

12 d

ec.-

18…

19 d

ec.-

25…

26 d

ec.-

1 ia

n.

2 ia

n.-

8 ian

.

9 ia

n.-

15

ia

n.

16 ia

n.-

22

ia

n.

23 ia

n.-

29

ia

n.

30 ia

n.-

5 f

eb

.

6 fe

b.-

12

feb

.

13 f

eb

.-1

9 fe

b.

20 f

eb

.-2

6 fe

b.

27 f

eb

.-4

ma

r.

5 m

ar.

-11

…

12 m

ar.

-18

…

19 m

ar.

-25

…

26 m

ar.

-01

…

2 a

pr.

-8 a

pr.

9 a

pr.

-15

apr.

En

erg

ie [kW

h]

Te

mp

era

tura

[ºC

]

Energia electrică medie zilnică consumată Energia termica medie zlnică livrată

Temperatura exterioare medie zilnică

46

62,5 kWh și a produs 214 kWh, având SPF3 de 3,42. După cum se poate observa, valoarea temperaturii interioare a fost puțin sub 21ºC, în situația în care valoarea setată pentru tempe-ratura interioară a fost 22ºC, fapt ce indică capacitatea redusă a pardoselii radiante de a realiza

condițiile interioare de confort, pentru această zi. Deoarece această zi a pot precedată de alte zile cu temperaturi scăzute, utilizatorul a resimțit o diminuare a confortului termic și a pus în funcțiune, în după amiaza acestei zile, circuitele de radiatoare.

Perioada imediat următoare, pompa de căldură a funcționat o perioadă mult mai în-

delungată pentru a produce energia necesară, care de această dată era livrată mediului inte-rior și de circuitele de radiatoare. Pornirea circuitelor de radiatoare a condus pe de o parte la o ușoară creștere a temperaturii până la temperatura setată pe termostat și implicit la creșterea confortului termic resimțit de utilizator, dar pe de altă parte a contribuit la diminuarea SPF-ului sistemului prin introducerea unor noi consumatori de energie.

De asemenea, se poate observa că după ce au fot pornite circuitele de radiatoare durata ciclurilor de funcționare a crescut de la aproximativ 2,5 ore la aproximativ 4,5 ore.

Temperatura amestecului de apă-glicol provenit din sol și temperatura agentului termic produs de pompa de căldură sunt prezentate în Figura 5.14. În această zi, amestecul de apă-glicol a fost preluat din sol, în medie cu 4,15ºC și s-a întors cu 1,1ºC, în timp ce temperaturile agentului termic pe partea de secundar a pompei de căldură au fost 51,1ºC pentru tur și 47,3ºC pentru retur.

Evoluția temperaturilor din sol pe perioada sezonului de încălzire și influența lor asupra performanței pompei de căldură

Analiza datelor măsurate pe perioada sezonului de încălzire (Figura 5.14) a relevat faptul că valorile temperaturilor de pe returul circuitului primar sunt mai scăzute decât cele de pe tur. Funcționarea pompei de circulație de pe acest circuit este legată de ficționarea com-

presorului, în perioadele în care compresorul este în repaus și ea este în repaus iar tempera-turile de pe tur și de pe retur tind să se egalizeze, deoarece senzorii de temperatură sunt amplasați în interior.

Temperaturile minime atât pe turul cât și pe returul circuitului din sol sunt atinse la sfârșitul ciclurilor de funcționare. Valoare minimă a temperaturii măsurate pe turul circuitului primar este 4,02ºC, fiind înregistrată în 27 ianuarie 2016 la ora 10.38, în timp ce valoarea minimă a returului s-a înregistrat tot la aceeași oră și are valoarea 0,3 ºC.

Diferența între valorile minime ale turului și returului circuitului primar al pompei de căldură este 3,9ºC, în timp ce pentru sezonul de încălzire, diferența între valorile medii ale temperatu-rilor turului și returului a fost 3,54ºC. Considerând faptul că în general, producătorii de pompe

de căldură recomandă ca diferența între valorile temperaturilor turului și returului circuitului primar să fie 3..5ºC, putem afirma că circuitul schimbătorului de căldură din sol este corect

dimensionat. Totuși, perioadele lungi de funcționare, determinate de temperaturile exterioare

Figura 5.12.-Temperaturile pe turul și pe returul circuitelor de primar și secundat ale pompei de căldură

0

5

10

15

0

20

40

60

80

0:0

0

1:0

0

2:0

0

3:0

0

4:0

0

5:0

0

6:0

0

7:0

0

8:0

0

9:0

0

10

:00

11

:00

12

:00

13

:00

14

:00

15

:00

16

:00

17

:00

18

:00

19

:00

20

:00

21

:00

22

:00

23

:00

Tem

pera

tura

[ºC

]

Tem

pera

tura

[ºC

]

Retur secundar Tur secundar Tur primar Retur primar

47

scăzute au cauzat o răcire a temperaturii amestecului de apă-glicol din sol, fapt ce a condus la cicluri și mai lungi de funcționare a pompei de căldură deoarece, odată cu scăderea tempe-raturii soluției din circuitul primar, a scăzut și cantitatea de energie termică preluată din sol. Cicluri de funcționare lungi înseamnă un consum mai mare de energie electrică pentru aceeași cantitate de energie termică livrată clădirii și implicit scăderea performanței sistemului de pompă de căldură, deci valori mai mici ale SPF.

Deoarece, transferul termic dintre sol și schimbătorul de căldură din sol se realizează preponderent prin fenomenul de conducție termică, în regim dinamic, funcționarea ciclică a pompei de căldură contribuie la refacerea câmpului de temperaturi din imediata apropiere a colectorului vertical. Din acest motiv nu se înregistrează scăderi bruște ale valorilor tempera-turilor circuitului primar, acestea putându-se observa doar pe perioade mai lungi de monitori-zare. Spre sfârșitul sezonului de încălzire, chiar dacă pompa de căldură a continuat să funcți-oneze și să livreze energie termică clădirii, se poate observa o creștere a valorilor temperatu-rilor circuitului primar, determinată, în special, de ciclurile mai scurte de funcționare ale pompei de căldură, care au permis regenerarea temperaturii solului.

Din analiza datelor prezentate în graficul de mai sus se poate observa că, odată cu scă-derea temperaturii exterioare numărul de cicluri de funcționare rămâne aproape constant, crescând doar durata fiecărui ciclu. Pe perioada sezonului de încălzire pompa de căldură a funcționat în total 2152 de ore și a avut un număr de 669 de cicluri, ceea ce indică o durată medie a unui ciclu de 3,35 ore și un număr mediu de aproximativ 3,5 cicluri zilnice.

Considerând toate cele enunțate anterior putem afirma că cele mai mici valori ale COP au fost înregistrate la mijlocul sezonului de încălzire, corespunzătoare celor mai scăzute valori ale temperaturii exterioare. Acestea sunt cauzate pe de o parte de scăderea temperaturii so-lului și implicit a temperaturii amestecului de apă-glicol la intrarea în vaporizator și pe de altă parte de temperaturile ridicate ale agentului termic produs de pompa de căldură, determinate de valoarea ridicată a sarcinii termice a clădirii corespunzătoare condițiilor exterioare de tem-peratură.

Totodată, valorile mai scăzute a amestecului provenit din sol cauzează scăderea capa-cității pompei de căldură, cauzată de valorificare redusă a potențialului termic al solului. Spre sfârșitul sezonului de încălzire s-au înregistrat valori mai mari ale COP datorate scăderii tem-peraturii de livrare a agentului termic, dar mai mici ca cele corespunzătoare începutului de sezon, când s-au înregistrat atât valori mai mari ale temperaturilor corespunzătoare circuitului primar, cât și valori mai mici ale temperaturilor circuitului secundar.

Sezonul de răcire 2016

Sezonul de răcire a început pe 17 iunie 2016 și a fost caracterizat de alternarea perioa-delor de răcire activă, în care a compresorul pompei de căldură a funcționat, cu perioadele de

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

30

/10

/201

5

19

/11

/201

5

9/1

2/2

015

29

/12

/201

5

18

/1/2

016

7/2

/20

16

27

/2/2

016

18

/3/2

016

7/4

/20

16

Tem

pera

tura

[ºC

]

Funcționare Tur Retur

Figura 5.13 - Curba de variație a temperaturilor turului și returului circuitului schimbătorului de căldură din sol și perioadele de funcționare ale pompei de căldură pe perioada sezonului de încălzire

48

răcire pasivă în care au funcționat doar pompele de circulație. În acest subcapitol se vor analiza primele două săptămâni (Figura 5.16) din sezonul de

răcire, perioadă care a fost caracterizată de temperaturi atipice pentru jumătatea lunii iunie dar care pot fi ușor asimilate cu temperaturile exterioare caracteristice lunii august.

Analiza performanței sistemului de pompă de căldură și energia termică prelu-ată din sol

Funcționarea pompei de căldură în modul de răcire a început în data de 17 iunie, odată cu creșterea temperaturii exterioare care a condus la creșterea temperaturii aerului in-terior până la o valoare de 24,8°C în zilele precedente punerii în funcțiune a răcirii.

În Figura 5.16 se poate observa creștere treptată a temperaturi medii exterioare până la valoarea de 27,9°C corespunzătoare zilei de 23 iunie, zi care a fost caracterizată de o tempe-ratură maximă de 30,8°C și o temperatură minimă de 25,1°C. Zilele precedente având o evo-luție asemănătoare din punct de vedere termic au favorizat apariția senzației de disconfort în interiorul clădirii, mai ales după amiaza și seara. În aceste condiții se observă că energia ter-mică zilnică, necesară pentru răcirea clădirii este proporțională cu creșterea temperaturii medii zilnice.

Pentru perioada de monitorizare, în urma analizei datelor măsurate s-a identificat fap-tul că, în mare măsură sistemul de pompă de căldură a funcționat în modul de răcire pasivă, compresorul pompei de căldură pornind preponderent în după amiaza fiecărei zile și sera. Acesta a funcționat în medie în fiecare zi 2, 5 ore, a consumat, aproximativ 8,2kWh de energie electrică în fiecare zi și a livrat clădirii, în modul de răcire activă 37,5kWh de energie termică, ceea ce corespunde unui COP mediu zilnic de 4,6.

Considerând răcirea pasivă pentru aceeași perioadă de monitorizare, pompa de căldură a livrat clădirii în medie 74,5kWh de energie termică, în fiecare zi și a consumat 3,5kWh de energie electrică pentru fiecare 24 de ore de funcționare, ceea ce corespunde unui SPF de 9,13.

0

5

10

15

20

25

30

35

Tem

pera

tura

[°C

]

Tur Retur Temperatura exterioară Funcționare

Figura 5.14 - Perioda de început a sezonului de răcire 17.06.2016-28.06.2016

49

Valoarea COP, corespunzătoare funcționării combinate activă și pasivă, pentru toată pe-rioada monitorizată a fost de 9,64, pentru care pompa de căldură a furnizat clădirii, în medie 111kWh de energie termică și a consumat 11,6kWh de energie electrică pentru a realiza acest lucru.

Pe toată perioada de monitorizare pompele de circulație aferente circuitelor de primar și secundar ale pompei de căldură au funcționat fără întrerupere în modul de funcționare răcire pasivă, compresorul pornind doar pentru perioade scurte când răcirea pasivă nu făcea față cererii mari de energie a clădirii.

Rezultate din ziua reprezentativă a perioadei monitorizate a sezonului de răcire

S-a ales ziua de 23 iunie ca fiind reprezentativă pentru perioada monitorizată, deoarece aceasta a fost cea mai călduroasă și în această zi răcirea pasivă a trebuit suplimentată cu răcire activă. Prin analiza datelor măsurate și prezentate în Figura 5.18 se poate observa că până la ora 10 răcirea pasivă reușește să mențină temperatura aerului interior sub 25°C, cea setată pe termostat fiind 24°C. Odată cu creșterea temperaturii exterioare și implicit a tempe-raturii interioare sistemul pornește răcirea activă, proces care conduce la scăderea tempera-turii medii interioare până aproape de valoarea de 24°C. Cilul de funcționare se încheie după aproximativ 2 ore de funcționare și este urmat până la sfârșitul zilei de alte cicluri care contri-buie împreună la o durată de funcționare totală a pompei de căldură, în modul de răcire activă de 4 ore și 10 minute. În modul de răcire pasivă amestecul de apă-glicol este preluat din sol la

Figura 5.15 - Energia preluată din sol, energia consumată, energia livrată clădirii și temperatura exterioară medie zilnică pentru perioada 17.06-28.06.2016

18.5

23.5

28.5

0

100

200

Tem

pera

tură

[°C

]

Energ

ie [kW

h]

Energie livrată în modul de răcire pasivăEnergie consumată de compresorEnergie livrată în modul de răcire activă

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

10

15

20

25

30

35

Funcționare

Tem

pera

tura

[°C

]

Temperatura exteiroară Tur Retur

Figura 5.16 - Ziua de 23 iunie, reprezentativă pentru perioada monitorizată.

50

o temperatură de aproximativ 12°C,și este reintrodus la o temperatură de 15°C. În figura pre-cedentă este prezentată evoluția temperaturii agentului termic aferent circuitului secundar al pompei de căldură, care face legătura dintre pompa de căldură și rezervorul de acumulare ,din care, agentul termic este distribuit mai departe prin intermediul circuitelor de pardoseală radi-antă și ventilo-convectoarelor către aerul. În această zi, pompa de căldură a livrat clădirii 110,4kWh de energie termică, în modul de răcire pasivă, și 58,2 kWh de energie termică în modul de răcire activă.

Un alt motiv pentru care această zi a fost considerată ca fiind zi reprezentativă pentru perioada analizată este determinat de faptul că COP mediu zilnic pentru perioada de funcțio-nare în modul de răcire activă a fost 4,62, iar SPF specific acestei zile a fost 10,5.

Până la ora 10 pompa de căldură reușește să mențină temperatura interioară la o valoare relativ constantă, apropiată de 24°C, chiar dacă funcționează în modul de răcire pasivă. Tem-peraturile la care este livrat agentul termic către sistemul de pardoseală radiantă (12°C-tur și 15°C-retur) ar favoriza în mod normal apariția condensului pe pardoseală, însă sistemul de automatizare al acesteia împiedică acest aspect prin intermediul unei vane cu trei căi care amestecă circuitul de turul cu returul circuitului de pardoseală radiantă. Acest aspect face ca, în unele cazuri, sarcina termică necesară pentru răcirea clădirii să nu poată fi acoperită doar prin intermediul sistemului de pardoseală radiantă și impune punerea în funcțiune a ventilo-convectoarelor de tavan. Din acest motiv funcționarea pompei de căldură, în modul de răcire pasivă, este important să se desfășoare pe o perioadă cât mai îndelungată, pentru ca placa

de beton, în care sunt înglobate circuitele de sistemului de pardoseală radiantă să acumuleze cât mai mult pentru ca necesitatea funcționării pompei de căldură în modul de răcire activă să fie cât mai redus, dar și funcționarea ventilo-convectoarelor să fie redusă la minim.

Analiza exergetică a sitemului de pompă de căldură

Pentru a evalua și mai apoi a îmbunătăți performanțele funcționale ale unui astfel de sis-tem destinat asigurării confortului interior,format dinntr-o pompă de căldură ce are solul ca sursă și care livrează energie termică spațiului interior prin intermediul pardoselilor radiante, s-a realizat o analiză exergetică a întregului sistem pe baza rezultatelor obținute în urma peri-oadelor monitorizate. În acest scop, sistemul a fost împărțit în patru subsisteme pentru care s-au determinat pirderle de exergie dar și eficiența exergetică specifică fiecăruia dintre ele, folo-sind derivatele ecuațiilor de echilibru.După cum am menționat, sistemul de pompă de căldură a fost împărțit în patru subsisteme: schibătorul vertical de căldură din sol, pompa de căldură, sistemul de distribuție a energie terice și sistemul de livrare a energiei termice către mediul interior. În Figura 5.19 sunt prezentate schematic cele patru subsisteme, datele de intrare ale analizei presuspunând că tatalitatea proceselor sunt în regim staționar și se află la starea de echilibru, la debit constant și nu produc reacții chimice sau nucleare [12,53,61,71]. În cazul unui proces termodinamic general aflat în starede echilibru și caracterizat de o curgere con-stantă, ecuațiile de echilibru de exergie se pot aplicate determianrea pierderii de exergie a

a)

b) Figura 5.17-a) Schema întregului sistem; b) Cele patru subsisteme și curgerea de exergie

51

fiecărui subsistem [26,27]. Determinarea eficienței exergertice comparativ cu determinarea efi-cienței energetice a unui sistem termodinamic oferă adesea informații mult mai relevante asu-pra posibilelor înbunătățiri ce se pot aduce performanței sitemului [27,62].

Rezultatele determinărilor specifice analizei exergetice

Așa cum s-a explicat în subcapitolul 5.4.1.9 ziua de 3 ianuarie 2016 a fost aleasă ca zi reprezentativă pentru sezonul de încălzire și tot din aceleași motive, funcționarea sistemului de pompă de căldură va fi analizată tot pentru datele specifice acestei zile. Datele necesare analizei exergetice a sistemului de pompă de căldură sunt prezentate sub forma valorilor medii zilnice în Tabelul 5.1

Tabel 5.1-Valorile specifice medii pentru ziua reprezentativă

Temperatura tur primar PC [°C] 4,15 Temperatura retur primar PC [°C] 1,1 Temperatura tur secundar PC [°C] 51,1 Temperatura retur secundar PC [°C] 47,3 Debit specific pompa circulație primar [m3/h] 1,62 Debit specific pompa circulație secundar [m3/h] 2,59 Puterea electrică a copresorului PC [kW] 3,23 Puterea electrică a pompei de circulație primar [kW] 0,18 Puterea electrică a pompei de circulație secundar [kW] 0,28 COP 3,42 Temperatura medie a solului [°C] 2,3 Temperatura medie a aerului interior [°C] 21 Temperatura medie a aeruluiexterior [°C] -7,6

Folosind valorile din tabelul precedent s-au putut determina pentru această zi valorile din

Tabelul 5.2 Tabel 5.2- Valorile determinate pentru ziua reprezentativă

Energia livrată de PC [kW] 214 Energia preluată din sol de PC [kW] 151,5 Sarcina de încălzire a clădirii [kW] 210,83 Pierderile din sistemul de distribuție [kW] 3,16

Folosind relațiile din (5.8)-(5.23) au fost determiante pierderile de exergie prin cele patu

sisteme dar și eficiena exergetică a acestora, rezultatele fiind prezentate în Figura 5.20 . Can-titatea totală de exergie este determiantă de exergia preluată din sol, exergia mecanică a com-presorului pompei de căldură și cea a pompelor de circulație. După cum se paote observa pompa de căldură este responsabilă pentru cea mai amre parte a pierderilor de exergie, dar totodată este și cel mai important contributor la cantittea totală de exergie vehiculată prin în-tregul sistem. Următorul subsistem responsabil cu o valoare mare a pierderilor de exergie este sistemul de pardoseală radiantă. În această situație eficiența exergetică a întregului sistem este de 40,28%.

Figura 5.18- Pierderile de exergie prin cele patru subsisteme

52

6 SIMULAREA ȘI OPTIMIZAREA ENERGETICĂ A SISTEMULUI DE POMPĂ DE CĂLDURĂ

Introducere

Consumul de energie al unei clădiri este o problema din ce în ce mai discutată, care trebuie luata in considerare din stadiile incipiente de proiectare. Simularea energetică este o unealtă eficientă la îndemâna proiectanților dar și a cercetătorilor, care îi ajută să ia decizii informate în scopul reducerii consumului de energie și să determine performanțele energetice ale clădirii. Prin simulare se pot dimensiona sistemele, ce folosesc surse regenerabile, afe-rente clădirii și se poate determina contribuția lor, se pot evalua opțiunile alternative de design, atât în timpul proiectării, cât și în faza reabilitării. Toate ceste aspecte conduc la o concluzia că simularea este o soluție viabilă în orice fază a proiectului și că reprezintă un mod ușor de a analiza viabilitatea unui sistem.

Simularea consumului de energie al clădirilor reprezintă analiza dinamică a compor-tamentului energetic al clădirilor folosind modelarea computerizată și tehnicile de simulare. Determinarea caracteristicilor energetice ale clădirilor și ale sistemelor lor de necesită calcu-larea sarcinilor termice ale clădirilor și a consumului de energie. O abordare bazată pe perfor-manță este un factor cheie în luarea deciziilor și se bazează pe un set mare de criterii de performanță. Simularea în domeniul clădirilor este instrumentul cheie pentru a cuantifica crite-riile de performanță care informează deciziile. Acest capitol se ocupă cu dezvoltarea, designul și modelarea sistemelor de pompe de căldură care au solul ca sursă și acoperă, de asemenea și provocările asociate cu proiectarea integrată a acestor sisteme împreună cu clădirile pe care le deservesc. Deoarece, o mare parte din cercetarea efectuată, la nivel mondial, pe parcursul ultimului deceniu a fost orientată spre optimizarea performanței sistemelor de pompă de căl-dură și acest studiu face parte din aceste eforturi. Simularea fenomenelor de transfer termic dar și a consumului de energie, în cazul sistemelor de pompe de căldură cu ajutorul softurilor specializate permite inginerilor și cercetătorilor să optimizeze și să eficientizeze funcționarea acestora, dar și să exploreze noi modele și să reducă semnificativ costurile și timpul cu mode-larea fizică. În prezent, deși sistemele de pompă de căldură sunt din ce în ce mai răspândite, nu este bine cunoscută influența parametrilor de proiectare, dar și de exploatare asupra per-formanțelor funcționale ale acestora. Obiectivul principal al acestui capitol este de a studia influența acestor parametrii.

Activitățile de cercetare au dorit identificarea caracteristicilor termice necesare ale solului, modalităților de livrare a energiei termice produsă de pompa de căldură, a tipului de control al sistemului, influența folosirii sistemelor radiante asupra consumului de energie, a capacității sistemului de a răspunde la vârfurile de necesar de energie, dar și a influenței consumului de energie a echipamentelor auxiliare asupra factorului de performanță sezonieră a sistemului.

Dezvoltarea, designul și simularea

Un model este o reprezentare fizică sau matematică a unui sistem real. Soci-etatea Americană pentru Testare și Materiale (ASTM) definește modelul matematic ca un sistem de ecuații matematice care exprimă comportamentul sistemului fizic și care include ipoteze simplificatoare [50]. Modelele matematice sunt rezolvate analitic sau numeric, folosind metode manuale sau de calculator.

În general în cadrul multor programe de simulare piesa cheie este așa numita zonă termică. Zona termică reprezintă un spațiu, sau mai multe, cuplate astfel încât ele au aceleași caracteristici termotehnice, asupra căreia acționează diferite sarcini termice.În Figura 6.1 este prezentat cazul de vară în care, asupra zonei termice acțio-nează mai multe sarcini (energie). Pereții sunt cei care definesc forma (geometria zo-nei) și în funcție de caracteristicile lor termotehnice, zona este influențată din exterior de condițiile meteorologice prin conducție, convecție, radiație (prin ferestre) sau prin

53

infiltrații. Pe lângă condițiile exterioare zona este influențată și de aporturile interioare ocu-

panții, iluminat, echipamente. Astfel pentru a răcii zona termică și a o menține la o anumită temperatură introdusă de utilizator, programul creează o așa zisă sarcină ideală. Sarcina este ideală deoarece într-un sistem ideal, în care nu ar exista pierderi aceasta ar fi cantitatea de energie necesară pentru a menține temperatura dorită în interiorul zonei. Totodată valoarea sarcinii termice ideale poate cuantifica necesarul de energie termică a zonei termice.

EnergyPlus

EnergyPlus își are rădăcinile în programele de simulare de energie BLAST și DOE-2. BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics) și DOE-2 au fost dezvoltate la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, ca instrumente de simulare energetică desti-nate inginerilor proiectanți sau arhitecților care doresc să găsească echipamentele HVAC adecvate, să dezvolte scenarii de reabilitare pentru eficientizarea energetică a clădirilor și sis-temelor ce le deservesc, precum și analize ale ciclurilor de viață ale acestora [102].

Născute din preocupărilor generate de criza energetică de la începutul anilor 1970 și din recunoașterea faptului că, în SUA, consumul de energie în mediul construit reprezintă o com-ponentă majoră, cele două programe au încercat să rezolve aceeași problemă din două per-spective ușor diferite.

Analiza rezultatelor simulării și evaluarea performanței energetice și a consu-mului anual de energie

În urma rulării modelului creat în programul de simulare a fost permisă interpretarea re-zultatelor obținute. Astfel în Figura 6.8 sunt prezentate consumurile de energie ale sistemului integrat de pompă de căldură pe toată perioada anului. Pe toată durata anului pompa de căl-dură consumă 9374 kWh pentru încălzire, 1276 kWh pentru răcire pasivă, 1774 kWh pentru pompele de circulație, 2678 kWh pentru preparare ACM și 888 de kWh pentru ventiloconvec-toarele de tavan utilizate la sezonul de răcire. Aceste valori conduc la un consum anual al sistemului interior de climatizare de 35,55 kWh/m2an, bineînțeles fără a include aici consumu-rile ale aparatelor electrocasnice și ale sistemului de iluminat, care nu au fost monitorizate.

În cadrul modelului derulat prin programul de simulare s-a putut analiza și contribuția sis-temului de iluminat la consumul total de energie al clădirii, care crește valoarea consumului anual de energie până la valoarea de 52,16kWh/m2an. Deoarece funcționarea sistemului de iluminat nu a fost considerată în perioada de monitorizare, acesta nu va fi analizat în continu-are. În Figura 6.9 se poate identifica contribuția fiecărui tip de consumator la valoarea totală a consumului de energie al instalației de pompă de căldură. Așa cum deja am afirmat, compre-sorul pompei de căldură este cel mai mare consumator de energie din instalație, consumând aproximativ 77% (încălzire și ACM) din cantitatea totală de energie consumată.

Figura 6.1 - Consumul anual de energie aferent instalației de pompă de căldură

0

500

1000

1500

2000

Ian. Feb. Mar. Apr. Mai. Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.

Energ

ie e

lectr

ică

[kW

h]

Încălzire ACM Răcire pasivă Pompe circulație Ventiloconvectoare

54

Pe durata sezonului de încălzire, care în cazul procesului de simulare a durat de pe data de 18 Septembrie până la data de 5 Mai a anului viitor pompa de căldură a funcționat cu un SPF0 = 4,26, valoare mai mică decât cea determinată pe durata sezonului de de-terminări experimentale și datorată în mare parte duratei mai mare de funcționare dar și a faptului că datele meteorologice folosite la simulare reprezintă o medie multianuală și au valori ușor diferite față de cele reale, măsu-rate pe perioada de monitorizare dintr-un an.

De asemenea se poate observa că sar-cina maximă de încălzire este în luna Decem-brie când pompa de căldură consumă apro-ximativ 1850kWh pentru încălzire. Așa cum era de așteptat consumul de energie pentru preparat ACM este constant pe tot timpul

anului, excepție făcând luna august când programul a considerat perioada de concedii. Pe perioada sezonului de vară principalul consumator de energie este „Răcirea pasivă”,

în al cărei proces de modelare s-a prevăzut doar funcționarea pompelor de circulație, care însă sunt prezentate de programul de simulare ca un consumator separat de energie. Celelalte pompe de circulație prezentate în grafic se referă la consumul pompelor de circulație aferente circuitelor de pardoseală radiantă, circuitelor de ventiloconvectoare și pompei de recirculare a ACM.

Interpretarea și analiza rezultatelor comparative din sezonul de încălzire

Pentru a putea determina și interpreta rezultatele simulării acestea s-au comparat cu re-zultatele obținute în urma măsurătorilor. În Figura 6.4 sunt analizate comparativ pentru peri-oada sezonului de încălzire consumul de energie mediu zilnic, energia termică medie zilnică livrată clădirii, raportate la temperatura exterioară medie zilnică. Cu toate că în cadrul simulării

Figura 6.2 - Consumul anual de energie re-prezentat pe categorii de consumatori.

59%

8%

11%

5%

17%

Încălzire Răcire pasivă

Pompe circulație Ventiloconvectoare

ACM

0

50

100

150

200

250

300

-10

-5

0

5

10

15

Energ

ie [kW

h]

Tem

pera

tura

[ºC

]

Energ. consum. Energ. consum._sim Energ.livrată

Energ. livrată_sim T.ext. T. ext._sim

Figura 6.3 - Valorile măsurate și rezultatele simulării pentru: energia medie zilnică livrată/consumată și temperatura exterioară medie zilnică, pentru perioada sezonului de încălzire 2015-2016.

55

sezonul de încălzire a durat din 18 septembrie până în 5 mai, în cadrul acestei analize com-parative a fost considerată perioada 30 octombrie-15 aprilie, care a fost corespunzătoare se-zonului de încălzire identificat în procesul de măsurări experimentale

Deoarece pe durata sezonului de încălzire evoluția temperaturii exterioare a fost una re-lativ nefirească pentru zona climatică în care se află orașul Galați, iarna trecută putând fi con-siderată blândă, s-au înregistrat temperaturi mai ridicare decât media multianuală, dar și vari-ații mari ale temperaturii medii zilnice de o săptămână la alta. În mod firesc temperaturile ex-terioare trebuiau să scadă treptat până la o valoare minimă și apoi la fel, să crească treptat până la sfârșitul perioadei de încălzire similar celor prezentate în figura de mai jos, corespun-zătoare procesului de simulare energetică. În scopul obținerii unor rezultate coerente și cât mai corecte s-au identificat, pentru această perioadă, șase săptămâni în care temperatura exterioară medie zilnică a avut valori aproximativ egale și s-au analizat consumurile de energie și cantitățile de energie livrate clădirii de către instalația de pompă de căldură. Rezultatele

comparative sunt prezentate în Figura 6.11 și în Tabelul 6.1.

Tabel 6.1 Rezultate comparative între valorile măsurate și cele simulate

Săp

tăm

ân

a

Tem

pera

tura

med

ie z

il-

nic

ă

Tem

pera

tura

med

ie z

il-

nic

ă

En

erg

ia e

lectr

ică m

ed

ie

ziln

ică c

on

su

mată

En

erg

ia e

lectr

ică m

ed

ie

ziln

ică c

on

su

mată

-sim

u-

lare

Dif

ere

nța

En

erg

ia t

erm

ică m

ed

ie

ziln

ică liv

rată

En

erg

ia t

erm

ică m

ed

ie

ziln

ică liv

rată

-sim

ula

re

Dif

ere

nța

[ºC

] [ºC

] [kW

h] [kW

h] [%]

[kWh]

[kWh]

[kWh]

30 oct.-5 nov.

8,25

9,16

30,75

28,2 9,0

4 130,

69 122,

11 7,05

2 ian.-8

-2,52

-3,22

54,1 57,2 5,5

9 231,

12 243,

1 4,93

-500

5010015020025030030 oct-5 nov.

6 nov.-13 nov.14 nov.-20 nov.

21 nov.-27 nov.

28 nov.-4 dec.

5 dec.-11 dec.

12 dec.-18 dec.

19 dec.-25 dec.

26 dec.-1 ian.

2 ian.-8 ian.

9 ian.-15 ian.16 ian.-22 ian.

23 ian.-29 ian.30 ian.-5 feb.

6 feb.-12 feb.

13 feb.-19 feb.

20 feb.-26 feb.

27 feb.-4 mar.

5 mar.-11 mar.

12 mar.-18 mar.

19 mar.-25 mar.

26 mar.-01 apr.

2 apr.-8 apr.9 apr.-15 apr.

T. ext. Energ.cons. Energ.cons._sim Energ.livrată

Figura 6.4- Reprezentarea comparativă a rezultatelor măsurate și simulate pentru perioada monitorizată.

56

Analizând rezultatele prezentate în tabelul de mai jos se poate distinge că procesul de modelare și de simulare a consumului de energie a sistemului de pompă de căldură a condus la obținerea unor rezultate apropiate ca valoare, diferențele dintre valorile măsurate și cele rezultate prin procesul de simulare variind între 2,3 și 9,04% în cazul energiei electrice consu-mate și între 4,93 și 10,76% în cazul energiei termice livrate. Principalii doi factori care influ-ențează variația mai mare diferenței dintre energia termică livrată măsurată și cea rezultată în urma simulării sunt temperatura medie multianuală exterioară mai scăzută, considerată în pro-cesul de simulare și temperatura amestecului de apă-glicol provenit din sol. În urma analizei temperaturii soluției provenite din sol s-a observat că aceasta este influențează în mod direct valorile determinate ale COP, aceasta fiind principalul motiv pentru care se regăsesc diferențe mai mari între valorile energiei termice măsurate și a celei rezultate din procesul de simulare.

Deoarece pompa de căldură funcționează pe o curbă, în funcție de temperatura exteri-oară, temperatura agentului termic produs este mai ridicată pe măsură ce temperatura exteri-oară scade, aspect care conduce la scăderea valorii COP-ului.

Din valorile medii zilnice ale temperaturii exterioare, prezentate în Figura 6.9 se poate distinge că în cazul simulării, pe durata sezonului de încălzire s-au înregistrat temperaturii exterioare mai scăzute decât valorile măsurate. Astfel se poate deduce că, în cazul simulării, pentru sezonul de încălzire, pompa de căldură a furnizat agent termic la temperaturii mai mari, deci a funcționat cu un COP mai mic. Pe durata perioada analizată, conform rezultatelor simu-lării, pompa de căldură a consumat 7972 kWh (66,98 kWh/zi, în medie) de energie electrică față de valoarea de 6952 kWh (58,42kWh/zi în medie ) determinată în cadrul cercetărilor ex-perimentale. Această diferență se datorează în special condițiilor meteorologice mai blânde înregistrate în precedentul sezon de încălzire. Analizând consumurile de energie ale pompei de căldură pentru cele șase săptămâni, corespunzătoare săptămânilor din simulare și din cer-cetările experimentale, care au avut temperaturi medii zilnice exterioare apropiate ca valoare, s-a determinat că valorile pentru media consumului de energie electrică sunt foarte apropiate ca valoare (41,39 kWh/zi vs.41,17 kWh/zi).

Deoarece, condițiile climatice din acest an au fost atipice pentru zona Galați, iar evoluția temperaturii exterioare pe parcursul iernii este de obicei mai apropiată de valorile folosite de programul de simulare și în același timp considerând că pentru perioadele cu temperaturi ex-terioare asemănătoare ca valoare, consumul de energie electrică al pompei de căldură, înre-gistrat în cardul cercetărilor experimentale s-a apropiat foarte mult ca valoare de cel rezultat în urma simulării, putem afirma că prin simulare s-au determinat valori și performanțe energe-tice ce se apropie foarte mult de cele reale, evident pentru un sezon de încălzite tipic acestei zone climatice.

ian.

16 ian.-22 ian.

-1,94

-1,36

49,8 47,2 5,5

1 221,

61 208,

62 6,22

23 ian.-29 ian.

-1,31

-0,5

47,75

46,5 2,6

1 217,

74 203,

67 6,91

12 mar.-18 mar.

6,63

6,02

34 34,8 2,3

0 136,

34 152,

77 10,7

6

19 mar.-25 mar.

8,02

7,76

32,06

32,8 2,2

6 136,

26 137,

76 1,09

57

Validarea rezultatelor simulării prin analiza comparativă a funcționării sistemu-lui de pardoseală radiantă

De obicei în procesul de proiectare sau de determinare (evaluare) a performanței energe-tice a sistemelor de condiționare a spațiilor interioare se iau în calul doi parametrii importanți: consumul de energie și confortul termic. Spre deosebire de sistemele convenționale de încăl-zire unde se poate considera doar temperatura aerului interior, în cazul sistemelor radiante, pentru determinarea parametrilor de confort termic, trebuie să se ia în calcul, pe lângă tempe-ratura aerului interior și temperatura medie radiantă, care se folosește pentru a determina temperatura operativă1.

În acest subcapitol s-a realizat validarea rezultatelor simulării prin compararea tempera-turii operative și a energiei consumate zilnic cu datele obținute în urma cercetărilor experimen-tale. Astfel s-a analizat evoluția temperaturii operative pe o perioadă de două săptămâni pentru o încăpere aflată la parterul clădirii, în care este instalat termostatul de ambient. La determi-narea temperaturii operative s-a folosit relația:

𝑇𝑜𝑝 =ℎ𝑐×𝑇𝑎+ℎ𝑟×𝑇𝑚𝑟

ℎ𝑐+ℎ𝑟 (6.1)

în care: Ta-temperatura aerului interior [ºC]; Tmr-temperatura medie de radiație [ºC]; hc-coeficient de transfer termic superficial; hr-coeficient de transfer termic prin radiație; Temperatura medie de radiație poate fi determinată folosind:

𝑇𝑚,𝑟 =∑ 𝑇𝑠 𝑖,𝑗×𝐴𝑗

∑ 𝐴𝑗 (6.2)

în care: Ts i,j-temperatura suprafeței interioare a structurii [ºC]; Aj-aria structurii [m2]; În comparație cu sistemele tradiționale de încălzire, utilizarea sistemelor de pardoseală

radiantă conduce la diferențe mai mici între temperatura aerului interior și temperatura sursei de căldură. De asemenea, folosirea sistemelor interioare conduce la o distribuție simetrică și implicit la o diminuare a senzației de disconfort termic cauzat de unele zone mai reci.

În Figura 6.11 sunt reprezentate valorile determinate și cele măsurate pentru temperatura operativă și consumul de energie electrică măsurat și rezultat în urma simulării. După cum se poate observa rezultatele simulării se apropie destul de mult de datele măsurate care s-au folosit la determinarea temperaturii operative. Diferențe mai mari s-au înregistrat în estimarea consumului de energie pentru unele zile ale perioadei analizate. Această diferență se poate datora aporturilor interne mai mari care au fost luate în calcul la rularea programului de simu-lare, dar și sistemului de control al climatului interior folosit de către Energyplus. Un alt factor care a condus la diferența de consum de energie și la diferența dintre temperaturile operative determinate și simulate poate fi valoarea coeficientului masivitatea termică a elementelor de

1 Temperatura operativă reprezintă temperatura aerului și cea distribuită uniform pe suprafața unei anvelope imaginare cu care o persoană va schimba aceeași cantitate de căldură prin radiație și con-vecție ca cea din mediul considerat .

58

construcție, care în realitate diferă puțin față de valoarea folosită de programul de simulare. Spre deosebire de sistemele convenționale de încălzire, performanța sistemului de par-

doseală radiantă este puternic influențată de interacțiunea proceselor de transfer de căldură ce au loc într-o încăpere (zonă termică). Transferul de căldură prin conducție, ce are loc prin elementele de închidere ale încăperii, combinat cu cel prin convecție de la suprafața acelorași elemente de închidere, dar și cu cel prin radiație contribuie la determinarea condițiilor interioare

de confort termic. De asemenea, în evaluarea corectă a performanțelor sistemelor de pardo-seală radiantă este foarte important să se considere pe lângă parametrii de confort și consumul de energie a instalației de pompă de căldură, dar și alți parametrii precum: condițiile climatice exterioare, infiltrațiile și ventilarea.

Analiza profitabilității sistemului de pompă de căldură

Sistemele de pompă instalate în clădiri cu consum de energie aproape egal cu zero pot fi considerate sisteme profitabile dacă valoarea prezentă netă este mai mare sau egală cu zero. Investiția maxim permisă (IMP) este definită ca valoarea investiției în instalația de pompă de căldură care conduce la o valoare prezentă netă egală cu zero [3], si este calculată folosind următoarea relație:

𝐼𝑀𝑃 =𝐵

𝑎= (

∆𝐸𝐻𝑃∙𝑒

𝑎) = 𝑄 ∙ (1 −

1

𝑆𝑃𝐹) ∙ 𝑒 ∙ [

1−(1+𝑟)−𝑛

𝑅] (6.3) [3]

în care: B-câștigurile bănești datorate folosirii pompei de căldură în detrimentul unui sistem clasic

[euro/an]; e-prețul energiei electrice[euro/kWh]; a-factor de anuitate [-]; ΔEHP-câștigurile de energie datorate folosirii sistemului de pompă de căldură față de un

sistem convențional [kWh/an]; SPF-factor de performanță sezonieră; r-rata dobânzii [-]; n-durata de viață a sistemului de pompă de căldură [ani]; Rata dobânzii se calculează cu următoarea relație:

Figura 6.5- Comparație între temperatura operativă determinată, energia electrică con-sumată și rezultatele simulării pentru perioada 16 ianuarie-29 ianuarie.

3839404142434445464748

20.6

20.8

21

21.2

21.4

21.6

21.8

22

22.2

Energ

ie [

kW

h]

Tem

pera

tura

[ºC

]

Consum energie electrică Consum energie electrică simulat

Temperatura opretativă determinată Temperatura operativă simulată

59

𝑟 = (𝑛𝑟−𝑖

1−𝑖) (6.4)

în care: nr-este rata dobânzii; i-este rata inflației; În Figura 6.7 este prezentat graficul de variație al investiției inițiale pentru un sistem de

pompă de căldură, funcție de energia termică produsă și perioada de viață „economică” a sistemului, iar apoi graficul de evoluție a investiției inițiale față de energia termică produsă și valoarea medie a SPF.

În urma analizei liniilor de variație a IMP se poate observa că durata de folosire a siste-mului de pompă de pompă de căldură influențează într-o măsură mai mare valoarea IMP față de variația SPF.

În precedentele două figuri au fost reprezentate cu roșu punctele determinate pentru va-loarea IMP, folosind datele rezultate în urma procesului de simulare și anume: Q=48.900kWh (include și ACM), e=0,11 euro/kWh, n=15 ani (Figura 6.12), SPF=4,26 (Figura 6.12), i=2,5%(inflația medie înregistrată în anul 2015 (sursa www.bnr.ro)) și nr=4%.

Folosind aceste date s-a determinat valoarea IMP= 55.078 euro (inclusiv TVA). Investiția în instalația de pompă de căldură a fost de aproximativ de 29.400 euro (a fost inclus aici costul instalației de pompă de căldură și costul forajului), valoare ce corespunde unei perioade de

amortizare a investiției de aproximativ 8 ani. În calculul profitabilității sistemelor de pompă de căldură se ia în considerare o perioadă de amortizare de 10-15 ani, dar cu cât este mai mare durata de viață a sistemului cu atât este mai mare rata de creștere a profitabilității sistemului.

Pentru cazul clădirii analizate, deservită de sistemul de pompă de căldură pentru o peri-oadă mai mare de 10 ani, profitabilitatea sistemului va sporii, în medie, în fiecare an cu 9,5%.

De asemenea, se poate observa că profitabilitatea sistemului este mai mare cu cât durata de viață este mai mare, și cu cât prețul energiei electrice este mai mic. Însă, un preț foarte mic al energiei electrice poate însemna că sistemele electrice de încălzire și preparare ACM vor deveni mult mai profitabile în detrimentul pompelor de căldură.

Un factor esențial în determinarea valorii IMP îl reprezintă cantitatea de energie termică pe care sistemul de pompă de căldură o va livra clădirii, astfel că valoarea IMP va crește proporțional cu creșterea valorii cantității de energie folosită de clădire.

Potențialul de creștere a profitabilității sistemului de pompă de căldură, comparativ cu un sistem convențional, nu este direct proporțional cu variația SPF, astfel că pentru valorile SFP de 2,3,4 se vor înregistra creșteri ale IMP de 32%,12%,7%.

Figura 6.6 - Investiția maxim permisă pentru un sistem de pompă de căl-dură ca funcție de energia termică produsă și durata de viață a sistemului.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

IMP

[euro

]

Energia termică produsă de sistemul de pompă de căldură [kWh/an]

n=5 anin=10 anin=15 anin= 20 ani

60

7 POTENȚIALUL DE REDUCERE A EMISIILOR DE DIOXID DE CARBON PRIN FOLOSIREA

POMPELOR DE CĂLDURĂ

Introducere

Uniunea Europeană dispune de resurse limitate de gaz natural și combustibili fosili și odată cu dezvoltarea economică crește și dependența a de astfel de resurse provenite din surse exterioare. În anul 2012 consumul de gaz natural al UE a fost de aproximativ 4570TWh, din care au fost importați 60% [55]. Aproximativ 30% din cantitatea importată provine din Rusia și 50% din Ucraina [10]

Sectorul rezidențial poate fi considerat principalul responsabil de dependența de gazul natural importat a UE, consumând aproximativ 61% din cantitatea totală [55]. În această situ-ație acest sector are un rol important în reducerea consumului de energie, scăderea depen-denței față de gazul natural importat și implicit reducerea emisiilor de GES.

Cu toate că în UE doar Danemarca exportă gaz natural, guvernul danez are și promo-vează intens politici și programe de reducere a consumului de energie și de dezvoltare suste-nabilă, prin care se dorește atingerea independenței totale combustibilii fosili. În contextul acestor politici, încă din anul 2012 a fost interzisă folosire, pentru clădirile noi, cazanelor pe combustibil lichid și gazos, iar pentru clădirile vechi este plănuită o schimbare graduală a aces-tora [37].

Schimbarea tipului de energie consumată pentru fondul de clădiri reprezintă o strategie eficientă în politicile UE și promovează folosirea pompelor de căldură ca fiind înlocuitoarele sistemelor convenționale de climatizare a spațiilor. Generația actuală de pompe de căldură reprezintă sisteme foarte eficiente care sunt capabile să producă 4 până la 6 unități de energie termică pentru fiecare unitate de energie electrică consumată. Prin creșterea continuă a pro-porției de energie verde (eoliană și hidro) în mix-ul de energie electrică se vor scădea și mai mult emisiile de GES [54].

În studiile prezentate deja în capitolul 2 s-au reliefat deja aspectele care conduc la con-cluzia că pompele de căldură reprezintă o tehnologie a viitorului în sectorul rezidențial, care contribuie la reducerea emisiilor de CO2, în concordanță cu politica UE [76,94].

Acest capitol are în vedere analiza avantajelor pe care folosirea pompelor de căldură le aduce față de utilizarea sistemelor clasice cu combustibil gazos. La fel ca în studiul Ecofys [10,37] perioada pe care se vor analiza aceste aspecte va fi până în anul 2050. În acest context vor fi analizate, la nivel european și național posibile scenarii de evoluție intensității emisiilor de CO2 rezultate din procesul de producere al energie electrice, analiza scenariilor de evoluție a consumului de energie pentru condiționarea spațiilor și preparare ACM, dar și posibilitatea implementării totale a pompelor de căldură până în anul 2050.

Rolul anvelopei clădirii în reducerea emisiilor de GES

Directiva europeană EPBD prevede ca până în anul 2050 emisiile de CO2 trebuie reduse cu 90% față de nivelul din 1990 [84] și considerând valoarea estimată a suprafeței construite din anul 2050 (38×109 m2) rezultă că emisiile de CO2 vor trebui să fie de 2,89 kg CO2/m2an [16]. Astfel, clădirile noi care, conform EPBD, vor trebui să fie nZEB vor putea să aibă emisii de CO2 de maxim 2,89kg CO2/m2an. Reabilitarea termică a anvelopei clădirilor și realizarea de clădiri noi performante energetic reprezintă primul pas în cursa. Încălzirea spațiilor repre-zintă, la nivel de utilizator final, cel mai mare consum de energie atingând un procent de 67% din energia consumată de sectorul rezidențial [25].

În perioada dintre anii 1990-2000, la nivelul UE numărul locuințelor a crescut cu 0,9% pe an, în timp ce cantitatea de energie consumată de acestea nu a crescut cu mai mult de 0,4% pe an [74]. Acest lucru a fost, în principal, rezultatul unui mai mare interes acordat consumului de energie a viitoarei clădiri, care s-a reflectat într-o mai atenție, acordată în faza de proiectare, materialelor, soluțiilor și alegerea unor echipamente mai eficiente, care sunt în mod progresiv introduse pe piață. O altă cauză a cestui aspect este și creșterea prețurilor combustibililor pentru toate statele membre UE, care a implicat o mai bună utilizarea a energiei.

61

Măsurile de eficientizare energetică, de reducere a pierderilor/aporturilor de căldură vor fi aplicate acelor componente ale clădirii care au o influență mai mare în totalitatea pierderilor de căldură. Eficientizarea unui sistem trebui să fie făcută în mod integrat și trebuie să aibă în vedere înțelegerea profilului energetic al clădirii dar și proprietățile solului, configurația schim-bătorului de căldură din sol, dar și a sistemului. În mod evident izolarea termică are un efect pozitiv atât din punctul de vedere al confortului termic interior, prin menținerea unei temperaturi cât mai constante în interior prin diminuarea pierderilor de căldură către mediul exterior și re-prezintă primul și cel mai important pas care trebuie făcut într-un sistem de proiectare integrată și care trebuie să fie predecesor deciziei de instalare a pompei de căldură.

Contribuția pompelor de căldură în reducerea emisiilor de GES

Prin schimbarea cazanului în condensație care folosește gazul natural, și care este desti-nat încălzirii spațiului și preparării ACM cu un sistem de pompă de căldură se urmărește eco-nomia de energie dar și o reducere a emisiilor de GES, în principal CO2.

Pentru a putea determina reducerea GES prin înlocuirea surselor convenționale de pro-ducere a energiei termice, cu pompe de căldură cu comprimare mecanică trebuie avute în vedere și elementele legate de producerea energiei electrice și mai ales emisiile gazelor cu efect de seră rezultate în urma procesului de obținere a acesteia. Totodată, trebuie ținut cont nu numai de emisiile de GES din timpul producerii energiei electrice, cât și de cele rezultate înainte și după producerea acesteia.

Totodată, când vorbim de potențialul de reducere a GES prin înlocuirea unei soluții, tre-buie să ținem seama de toate emisiile din întreg ciclul de producere a energiei (exploatarea combustibilului, transportul, etc.), precum și conversia acestora în energie termică pentru în-călzire, respectiv răcire [38].

Întrucât pompa de căldură este acționată de cele mai multe ori cu ajutorul energiei elec-trice, reducerea specifică de emisii de CO2 echivalent depinde de intensitatea de producere a gazelor cu efect de sera, If care este specifică combustibilului fosil utilizat la producerea ener-giei electrice [16].

Cu cât este mai importantă contribuția combustibilului fosil solid la mixul de energie și cu cât este mai puțin evoluată tehnologia de ardere a acestuia cu atât va fi mai mare emisia specifică de dioxid de carbon. În schimb gazul natural conduce la reducerea acestui indicator. Țările care beneficiază de o pondere semnificativă a surselor hidroelectrice sau nucleare sunt caracterizate de indicatori care tind spre zero (vezi Franța în Figura 7.2). În privința energiei nucleare apare o divergență între consumul de energie primară și emisiile de CO2. Conform standardului EN 15603 în Europa valoarea curentă pentru intensitatea emisiei de CO2 este 0,016 kgCO2/kWh. În cazul utilizării combustibililor fosili situația unui consum de energie aproape egal cu zero conduce automat la emisii de CO2; însă în cazul energiei nucleare emisii CO2 zero nu implică în mod necesar și un consum de energie zero. Acest aspect este foarte important în definirea clădirilor cu consum de energie aproape egal cu zero [16].

La nivelul UE în anul 2015, consumul de energie pentru încălzire a spațiului de locuit a reprezentat în jur de 23% din consumul total de energie, iar două treimi din energia furnizată a fost produsă utilizând combustibili fosili (Figura 7.3), gazul natural având cea mai mare pon-dere. Această aspect reprezintă o oportunitate de înlocuire a combustibililor fosili cu surse regenerabile de energie cuplate cu instalarea pe scară largă a pompelor de căldură de înaltă eficiență. Această strategie este dezvoltată în concordanță cu politica UE și cu studiile care prezintă utilizarea surselor regenerabile pentru încălzirea și răcirea ca o metodă concretă de reducere a emisiilor de CO2 [31,33,35,36].

Diminuarea emisiilor de CO2 rezultate prin înlocuirea cazanelor în condensație cu pompe de căldură este determinată în funcție de intensitatea de producere a gazelor cu efect de seră If [kgCO2/kWh], ce au rezultat în urma arderii gazului natural în focarul cazanului, a randamen-tului cazanului η, precum și în funcție de intensitatea emisiilor de GES pentru procesul de producere a energiei electrice Ie [kgCO2/kWh]. Un factor important în determinarea reducerii

62

specifice de GES, REGES este coeficientul de performanță al pompei de căldură [16].

𝑅𝐸𝐺𝐻𝐺 = 𝐶𝑒 (𝐼𝑓

𝜂−

𝐼𝑒

𝐶𝑂𝑃) [𝑘𝑔 𝐶𝑂2/𝑚2𝑎𝑛] (7.1)

unde: If - intensitatea de producere a gazelor cu efect de seră, specifică combustibilului fosil

utilizat (50kg CO2/GJ pentru gazul natural). Ie - intensitatea de emisie specifică pentru eficiența procesului de generare a energiei

electrice, COP - coeficientul de performanță al pompei de căldură, Ce - indicele consumului de energie pentru încălzire [kWh/m2an] η - randamentul cazanului de încălzire. Folosind datele măsurate pe clădirea experimentală prezentată în capitolul 4, am analizat

reducerea gazelor cu efect de seră datorită utilizării pompelor de căldură sol-apa în detrimentul unei soluții convenționale de producere a energiei termice.

Utilizând datele din Figura 7.2 și relația 7.1 am determinat reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră pentru clădirea studiată, în cazul utilizării pompei de căldură în detrimentul ca-zanelor în condensaţie, rezultatele fiind prezentate în Figura 7.4. și Figura 7.5 Pe tot timpul anului pompa de căldură a fost utilizată atât pentru încălzirea și răcirea spațiului interior, cât și pentru prepararea ACM. Utilizarea pompelor de căldură în defavoarea cazanului în conden-saţie, pentru încălzirea spațiilor și prepararea ACM, a condus la o reducere de la 10,2 t CO2

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0 50 100 150 200 250 300

Facto

r de e

mis

ii C

O2

[kgC

O2/k

Wh]

Consumul anual specific de energie (încălzire și ACM) [kWh/m2an]

70

60

50

40

30

Indic

e

de

em

isii

ech

iva-

lent

CO

2 [kgC

O2/m

2an]

Reabilitare

Pom

pa d

e c

ăl-

Figura 7.2 - Reducerea emisiilor de CO2 echivalentă reabilitării ter-mice a anvelopei și înlocuirii cazanului în condensație cu pompă de căl-dură.

33%

13%2%

35%

10%7%

Energie electrică

Combustibili lichizi

Combustibili solizi

Gaz natural

Regenerabile

Încălzire centrală

Figura 7.1 - Consumul de energie în UE divizat pe tipuri de energie [55].

63

la 3,8 t CO2. Reducerea emisiilor de CO2 este una semnificativă, datorându-se în special valorii ridicate

a SPF specifică pompei de căldură, pe perioada de monitorizare, dar și datorită ponderii mari a energiei electrice din surse regenerabile (eoliană, hidro, fotovoltaică, nucleară, biomasă) care, în procesul de producere, are degajări mici de GES.

Reabilitarea termică a anvelopei clădirii conduce la o reducere considerabilă a indicelui echivalent de CO2 de la 51,54 kgCO2/m2an la 14,86 kgCO2/m2an, însă factorul de emisii CO2 rămâne același, deoarece sursa de încălzire și preparare ACM a rămas tot cazanul în conden-sație. Prin instalarea sistemului de pompă de căldură s-a reușit reducerea consumului de ener-gie pentru încălzire/preparare ACM datorită faptului că pompa de căldură a funcționat cu valori SPF ridicate. Astfel, prin folosirea sistemului de pompă de căldură s-au redus emisiile de CO2 până la valoarea de 6,64 kgCO2/m2an, iar factorul de emisii a fost redus până la 0,11 kg CO2/kWh.

Comparând valorile determinate pentru emisiile de CO2 corespunzătoare clădirii neizolate termic cu cele aferente clădirii izolate după montarea sistemului de pompă de căldură, se poate spune că s-a realizat o reducere totală a emisiilor de CO2 de 87,11%

Concluzii la final de capitol

Una din problemele prioritare ale omenirii o reprezintă încălzirea globală, care se dato-rează în special emisiilor de GES, diminuarea acestora reprezentând o prioritate pe plan mon-dial. Folosirea sistemelor de pompelor de căldură în defavoarea sistemelor clasice cu cazan pentru producerea energiei termice pentru încălzire, respectiv răcire (cazane, chillere) are un impact semnificativ din punct de vedere al reducerii GES. Procesul de reducere a GES este caracterizat în special de COP-ul sistemelor de pompe de căldură și de intensitatea de emisie de gaze cu efect de seră rezultate în urma procesului de producere a energiei electrice. Pentru situația de față, prin introducerea sistemului de pompă de căldură a rezultat o reducere a GES cu 6,4 t CO2, față de sistemele convenționale.

Începând din anul 2009 în mix-ul de energie electrică produsă în România are în compo-nența sa o mare parte energie electrică cu proveniență din surse regenerabile, cu emisii mici de GES (energie eoliană, hidro, nucleară, fotovoltaică, biomasă) [78] și din această cauză COP-ul pompelor de căldură nu trebuie să depășească valoarea 2,3 pentru a reduce emisiile de gaze cu efect de seră.

Cadrul general de politici al UE în aplicarea noilor tehnologia, include Directiva RES [86] (care certifică în mod oficial că pompele de căldură folosesc surse de energie regenerabile) și cu Directiva privind performanța energetică a clădirilor [85] (care impune evaluarea impactului tehnico-economic al tehnologiilor eficiente de condiționare a spațiilor interioare, printre care se includ și pompele de căldură). Directiva privind proiectarea ecologică [87] promovează, inova-ția în design și comercializarea pompelor de înaltă eficiență, ceea ce duce la standarde minime de performanță energetică.

0

2000

4000

6000

8000

10000

Încălzire ACM

kg C

O2

Pompa de căldură

Figura 7.3 - Reducerea emisiilor de CO2 prin utilizarea unei pompe de căldură în detrimentul unui cazan în condensație pentru încălzirea spațiului interior și prepararea ACM.

64

8 CONCLUZII GENERALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

Concluzii generale

Prezenta teză de doctorat, prezintă investigații experimentale și de modelare fizico-matematică a sistemelor de pompe de căldură în interacțiune cu clădirile pe care le deservesc și care vizează o mai bună înțelegere a acestor sisteme conectate la o sursă geotermală, precum și posibilitatea de analiză a performanțelor funcționale ale acestora; în acest context am studiat comportamentul in situ al sistemului, cu intervenții ale ocupanților asupra perfor-manțelor funcționale, precum și impactul acestora asupra scopului urmărit, anume atingerea nivelului de consum de energie aproape egal cu zero (nZEB) și care conduce implicit la redu-cerea masivă a emisiilor de GES. În prezent la nivelul Uniunii Europene, dar și pe plan mondial există un interes major pentru rezolvarea problemelor legate de schimbările climatice, care necesită reducerea emisiilor de GES și care sunt asociate cu reducerea consumului de ener-gie. În acest scop sectorul rezidențial a beneficiat de promovarea utilizării pe scară largă a energiei din surse regenerabile. Reducerea consumului de energie din clădiri, asociată cu creșterea gradului de izolare termică a acestora, a permis utilizarea surselor regenerabile de energie în condițiile menținerii și îmbunătățirii confortului termic interior. Aceste aspecte au condus la introducerea de noi sisteme de încălzire/răcire, care țin cont de noile reglementări emise UE și care întrunesc condițiile necesare unei clădiri cu consum de energie aproape egal cu zero - nZEB. Reducerea emisiilor de GES implică și impune folosirea de tehnologii noi, de înaltă eficiență destinate condiționării spațiului interior deoarece, la nivelul UE, energia nece-sară încălzirii/răcirii spațiului interior are ponderea cea mai mare în consumul final de energie al unei clădiri.

Rezultatele încurajatoare obținute prin monitorizarea exploatării sistemelor de pompe de căldură ca tehnologie ce utilizează energie din surse regenerabile, au condus la o răspân-dire tot mai largă a acestor sisteme pe plan mondial. Aceste rezultate se referă atât la reduce-rea emisiilor de GES precum și la economia de energie dar și la confortul termic asigurat. Având în vedere avantajul reversibilității (încălzirea, respectiv răcirea spațiilor), pompele de căldură sol-apă sunt utilizate pe scară din-ce-în-ce mai largă atât în Europa de Nord și Cen-trală, precum și în sudul Europei, implementarea acestora fiind în curs de extindere. În con-textul legislativ actual, în care UE impune îmbunătățirea eficienței energetice a clădirilor, stu-diile bazate pe cercetarea in situ a instalațiilor de pompe de căldură de înaltă performanță devin foarte utile pentru optimizarea acestor sisteme integrate, compuse din sursă, pompă de căldură și clădire.bMulte studii importante ale Comisiei Europene, au plasat pompele de căl-dură în fruntea strategiilor de reducere a consumului de energie printr-o abordare integrată a acestora în clădire, fiind văzute ca principalul furnizor de energie pentru încălzirea și răcirea clădirilor nZEB, dar și pentru prepararea ACM în condițiile reducerii substanțiale ale emisiilor de GES. În acest context studiul pe care l-am efectuat a analizat un sistem de pompă de căldură integrat într-o clădire istorică, amplasată în Galați. Prin reabilitarea termică a clădirii experimentale s-a dorit reducerea consumului de energie și implicit a emisiilor de GES în ve-derea atingerii standardului nZEB pentru o clădire unifamilială, în care sunt asigurate condițiile interioare de confort. În cursul acestui proces, pe lângă izolarea termică a anvelopei exterioare, clădirea a fost echipată cu un sistem de pompă de căldură ce are solul ca sursă având trei sonde verticale cu lungimea de 100m fiecare. Eficiența sistemului, care este determinantă pentru emisiile de GES, a rezultat din analiza efectuată pe baza datelor experimentale culese in situ. În urma acestei analize am determinat factorul de performanță sezonieră (SPF) atât pentru sezonul de încălzire cât și pentru sezonul de răcire, luând în considerare diverse con-sumuri energetice auxiliare.

Pentru sezonul de încălzire, valoarea SPF, determinată pentru pompa de căldură în modul activ de funcționare, la care s-a luat în considerare doar consumul de energie al compresorului a fost 4,33; luând în considerare însă și consumurile auxiliare de energie valoarea SPF a scă-zut la 3,58.

Pentru sezonul de răcire, valoarea SPF, luând în considerare doar consumul de energie

65

al compresorului a fost 4,6; în modul de funcționare pasivă valoarea SPF, care ia în conside-rare și consumurile auxiliare de energie (pompele de circulație primar/secundar și de distribuție a agentului termic, mai puțin compresorul care nu funcționează) a fost 11,6; pentru întreg se-zonul de răcire, în care pompa de căldură a funcționat atât în modul activ, cât și în cel pasiv valoarea corespunzătoare pentru SPF a fost 9,64. Răcirea pasivă fiind o metodă eficient-eco-nomică de valorificare a temperaturii mai scăzute a solului comparativ cu cea necesară pentru menținerea confortului termic interior, oferă avantajul eliminării consumului energetic specific compresorului aferent agregatului frigorific în condițiile unor sarcini de răcire moderate; în con-secință, fiind activate doar pompele de circulație, consumul de energie specific acestora este relativ redus în raport cu efectul pe care îl produc prin vehicularea prin schimbătoarele de căldură ale clădirii a agentului termic răcit în sol.

În cadrul procesului de analiză a funcționării sistemului de pompă de căldură, pe durata sezonului de încălzire au fost determinați și indicatori de eficiență, respectiv de eficacitate a sistemului. Indicatorul de eficiență EPI a fost determinat pentru consumul de energie necesar încălzirii spațiului (EPI=15,46 kWh/m2an), dar și pentru situația în care s-a considerat și ener-gia electrică pentru prepararea ACM (EPI=20,81 kWh/m2 an). Din valorile determinate pentru EPI a rezultat că energia necesară preparării ACM pe durata sezonului de încălzire reprezintă aproximativ 25% din consumul total de energie al sistemului de pompă de căldură.

Analiza eficienței exergetice deteminată pentru întregul sistem a arătat că pompa de căl-dură și sistemul de pardoseală radiantă sunt cele mai puțin eficiente subsiteme, deoarece în ele au loc cele mai mari pierderi de exergie, doar un prcent de 40,28 % din cantitatea totală de exergie intrată în sistem fiinde transferată mediului interior. În acest sens se poate afirma că îmbunătățirea eficienței pompei de căldură și a sistemului de pardoseală radiantă reprezintă măsuri ce trebuie luate pentru a crește eficiența exergetică a sistemelor de pompe de căldură pentru clădirile nZEB.

Modelarea și simularea sunt proceduri avansate de proiectare ce oferă posibilitatea ingi-nerilor și cercetătorilor să proiecteze, să evalueze și mai ales să evalueze un sistem în curs de dezvoltare. În mod uzual simularea se folosește în etapele inițiale de proiectare pentru a determina consumul de energie al unei clădiri în condiții similare cu cele reale, însă odată cu noile tehnologii software simularea se poate folosi și în etapele ulterioare, mai ales în cele de reabilitare energetică a clădirilor. Posibilitatea transpunerii în modul virtual a unui sistem real face din tehnica modelării și simulării un instrument deosebit de puternic mai ales în activitatea de cercetare.

Validarea modelului fizic pe care l-am implementat în programul de simulare energetică EnergyPlus a fost posibilă prin compararea rezultatelor simulate cu cele pe care le-am măsurat in situ, în speță cele referitoare la consumul de energie a sistemului de pompă de căldură. Având în vedere că acest instrument de simulare- EnergyPlus utilizează date meteorologice tipice pentru anumite zone climatice (TMY- Typical Meteorological Year) a fost necesar să selectez perioade ale sezonului de încălzire care au prezentat valori apropiate de cele tipice menționate mai sus.

În baza analizei de profitabilitate a sistemului de pompă de căldură a fost posibil să deter-min perioada de amortizare a investiției, anume de aproximativ 8 ani; după acest interval de timp pompa de căldură va funcționa cu cheltuieli minime comparativ cu soluția clasică cu cazan pe gaz, ceea ce reprezintă un beneficiu financiar adus utilizatorului, cât și unul de mediu refe-ritor la emisiile de GES.

Una din problemele prioritare ale omenirii o reprezintă încălzirea globală, care se dato-rează în special emisiilor de GES, diminuarea acestora reprezentând o prioritate pe plan mon-dial. Folosirea sistemelor de pompelor de căldură în defavoarea sistemelor clasice cu cazan pentru producerea energiei termice pentru încălzire, respectiv răcire (cazane, chillere) are un impact semnificativ din punct de vedere al reducerii GES. Valoarea SPF-ului sistemelor de pompe de căldură și intensitatea de emisie de gaze cu efect de seră rezultate în urma proce-sului de producere a energiei electrice reprezintă principalii pioni în procesul de reducere a emisiilor de CO2. Pentru cazul studiat, prin introducerea sistemului de pompă de căldură a

66

rezultat o reducere a GES cu 6,4 t CO2, față de sistemele convenționale. Din cele prezentate, ca urmare a măsurătorilor și simulărilor efectuate în cadrul tezei re-

zultă că utilizarea pe scară largă a pompelor de căldură geotermale pentru încălzirea/răcirea spațiilor din clădiri, precum și pentru prepararea ACM ar conduce la scăderea semnificativă emisiei de GES (80-90%), concomitent cu reducerea cererii de combustibili fosili. Totodată cheltuielile legate de încălzirea/răcirea spațiilor și prepararea ACM se vor reduce substanțial, în condițiile îmbunătățirii condițiilor de confort termic.

Contribuții personale și elemente de originalitate

În procesul de elaborare a acestei lucrări am realizat un studiu științific sintetic al realiză-rilor recente din domeniul energiei provenită din surse regenerabile, în special al pompelor de căldură; acest studiu mi-a permis identificarea elementelor teoretice din literatura de speciali-tate care au în vedere abordarea pompelor de căldură integrate în clădirile nZEB.

Contribuțiile personale și elementele de originalitate ale cercetărilor privind oportunitatea abordării sistemelor de pompă de căldură integrate în clădirile cu consum de energie aproape egal cu zero sunt:

analiza critică a nivelului actual al cercetărilor teoretice și practice în dome-niu, pe care am realizat-o a avut drept obiect de investigație implementarea sistemelor de pompe de căldură în cadrul proiectelor ce au ca scop realizarea clădirilor nZEB.

această analiză a literaturii de specialitate mi-a permis clasificarea și ierarhi-zarea sistemelor de pompă de căldură după sursa acestora și după COP-ul raportat. În urma acestei analize a rezultat faptul că sistemul de pompă de căldură de tipul sol-apă este cel mai eficient.

evaluarea și validarea performanțelor pompei de căldură folosind tempera-turile măsurate pe ciclul frigorific experimental aferent acesteia au fost realizate, prin folosirea grupului de programe CoolPack.

am realizat o modelare a sistemului de pardoseală radiantă - utilizat prepon-derent în asigurarea confortului interior - cu ajutorul programului de simulare COMSOL Mul-tiphysics care utilizează metoda elementului finit; rezultatele obținute mi-au permis o analiza comparativă a performanțelor funcționale ale acestui sistem precum și determinarea fluxurilor de căldură cedate mediului interior al încăperilor.

în vederea validării sistemelor de pompă de căldură ca soluție viabilă pentru clădirile nZEB, am determinat performanțele funcționale ale unui astfel de sistem și pe cale experimentală. Clădirea experimentală pe care am studiat-o în acest scop și pentru care s-a decis instalarea unui sistem de pompă de căldură care are solul ca sursă se afla în momentul inițial al procesului de reabilitare termică. Astfel, studiul experimental complet asupra clădirii amintite a pornit de la măsurarea atât pentru sezonul de încălzire cât și pentru sezonul de răcire a:

temperaturii amestecului de apă cu glycol provenit din sol;

temperaturii agentului termic produs de pompa de căldură;

temperaturii agentului termic vehiculat prin sistemul de încălzire în pardoseală;

temperaturii exterioare;

consumului de energie electrică a sistemului de pompă de căldură.

datele măsurate asupra clădirii testate mi-au permis analiza evoluției para-metrilor precum și a consumurilor energetice pentru diferite perioade de timp caracterizate de condiții meteorologice diferite, aferente atât sezonului de încălzire cât și celui de răcire. Pentru aceste situații am putut determina influența condițiilor exterioare asupra consumului de energie al sistemului, analizând astfel și capacitatea pompei de căldură de a asigura condițiile interi-oare de confort. Aspectul inovativ al studiului este conturat de faptul că acesta s-a desfășurat în condiții reale de funcționare, în sensul că pe întreaga durată a monitorizării, clădirea a fost locuită de o familie.

tipurile de indicatori de eficiență și de eficacitate, folosiți la nivel mondial pen-

67

tru a caracteriza din punct de vedere energetic clădirile și pe care i-am determinat pentru clă-direa studiată, mi-au servit la evaluarea performanțelor energetice ale întregului sistem nece-sare comparării cu standardul nZEB.

totodată, am determiant eficiența exergetică a sistemului de pompă de căl-dură prin înpărțirea acestuia în patru subsisteme: schibătorul vertical de căldură din sol, pompa de căldură, sistemul de distribuție a energie termice și sistemul de livrare a energiei termice către mediul interior și am ajuns la concluzia că pompa de căldură și sistemul de pardoseală radiant sunt cel mai puțin eficente.

ca urmare a simulării pe care am efectuat-o cu ajutorul programului Ener-gyPlus, în care am implementat modelul fizic al clădirii testate din orașul Galați, cu condițiile meteorologice aferente am determinat consumul anual de energie al clădirii atât pentru condi-ționarea spațiului interior cât și pentru prepararea ACM.

pe baza rezultatelor obținute în urma măsurătorilor efectuate asupra clădirii testate a devenit posibilă validarea modelului fizic pe care l-am realizat și implementat pentru perioadele de monitorizare.

am determinat valoarea investiției maxime pentru care sistemul de pompă de căldură aduce avantaje proprietarului pe baza unei relații de calcul care ține seama de factorul de performanță sezonieră, de prețul energiei electrice și de inflație. În cazul clădirii testate a rezultat o perioadă de timp necesară pentru recuperarea investiției de aproximativ 8 ani.

analiza în situ a eficienței pompei de căldură pentru clădirea testată, având un consum de energie aproape egal cu zero, a confirmat faptul că implementarea acestor sisteme după reabilitarea termică a clădirii poate conduce fără dificultate la reducerea emisiilor GES cu 80-90%, și chiar mai mult.

am evaluat valoarea minimă ale factorului de performanță sezonieră, în con-dițiile existente la noi în țară, pentru care aceste sisteme contribuie la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră; la baza acestei evaluări au stat studiile existente în literatura de speci-alitate.

o parte din rezultatele experimentale obținute în urma cercetărilor desfășu-rate pe parcursul pregătirii tezei de doctorat au fost publicate în 16 articole din țară și străină-tate. Dintre acestea, 2 au fot publicate în reviste ISI Web of Science, 5 în proceidings-ul con-ferințelor cotate ISI, 4 au fost publicate în analele Buletinului Universității Transilvania din Bra-șov, iar unul a fost publicat în proceeding-ul conferinței Sustainable Energy, publicată de edi-tura Springer, și restul la alte conferințe din țară și străinătate.

de asemenea, pe parcursul pregătirii tezei de doctorat am participat la gran-tul ASHRE-SUA, câștigat prin competiție, intitulat Testing Laboratory Using Renewable Sour-ces for Radiant vs. Convective Heating & Cooling, în cadrul căruia am contribuit direct la ana-liza performanțelor unui sistem de pompă de căldură cu comprimare mecanică.

Perspective de dezvoltare ulterioară

Cercetările prezentate în această lucrare au condus la rezultate ce deschid perspectiva dezvoltării a mai multor subiecte în viitor, din care menționez:

studierea și dezvoltarea unei modalități de control a sistemelor de pompă de căldură bazată pe strategii optime de funcționare pentru fiecare tip clădire în parte, în funcție de nece-sarul său de energie și de nevoile ocupanților;

extinderea rezultatelor obținute în urma studiilor și testelor efectuate și continuarea cercetărilor pentru celelalte zone climatice din România;

deoarece în costul de investiție într-un sistem de pompă de căldură procentul cel mai mare îl deține realizarea schimbătorului de căldură din sol se poate analiza posibilitatea redu-cerii dimensiunilor acestuia și asigurarea diferenței de energie pe partea de primar din alte surse regenerabile (de exemplu panouri solare).

realizarea unui studiu de fezabilitate pentru implementarea unui sistem de panouri fotovoltaice (on-site) în vederea alimentării pompei de căldură dintr-o sursă de energie verde.

68

BIBLIOGRAFIE

[1] M. Ala-Juusela, Heating and Cooling with Focus on Increased Energy Efficiency and Improved Comfort Guidebook to IEA ECBCS Annex 37 Low Exergy Systems for Heating and Cooling of Buildings, Helsinki, 2004.

[2] M.L. Allan, S.P. Kavanaugh, Thermal Conductivity of Cementitious Grouts and Impact On Heat Exchanger Length Design for Ground Source Heat Pumps, HVAC&R Res. 5 (1999) 85–96.

[3] M.J. Alonso, J. Stene, IEA Heat Pump Programme Annex 32. Umbrella Report, System Solutions, Design Guidelines. Prototype System and Field Testing - NORWAY, 2010.

[4] M.J. Alonso, J. Stene, State-of-the-Art Analysis of Nearly Zero Energy Buildings Country Report IEA HPP Annex 40 Task 1 – NORWAY, (2013).

[5] S. Attia, A Tool for Design Decision Making - Zero Energy Residental Buildings in Hot Humid Climates, (2012) 298.

[6] M.C. Bălan, Instalatii Frigorifice, 2003. [7] M.C. Bălan, Energii regenerabile, UT Press, 2007. [8] V.D. Baxter, O. Ridge, W.V. Payne, A.H. Fanney, W. Healy, J. Kneifel, F. Omar, S.

Bushby, L. Ng, D. Poppendieck, T. Ullah, B. Dougherty, J. Ling, Heat pump concepts for nZEB – Technology developments, design tools and testing of heat pump systems for nZEB in the USA Country report IEA HPT Annex 40 Task 2, Task 3 and Task 4 of the USA, Oak Ridge, n.d.

[9] P. Bayer, D. Saner, S. Bolay, L. Rybach, P. Blum, Greenhouse gas emission savings of ground source heat pump systems in Europe: A review, Renew. Sustain. Energy Rev. 16 (2012) 1256–1267.

[10] T. Bettgenhauser, K., de Vos, R., Grozinger, J., Boermans, Deep renovation of buildings An effective way to decrease Europe’s energy import dependency Deep renovation of buildings An effective way to decrease Europe’s energy import dependency, 2014.

[11] K. Bettgenhäuser, M. Offermann, T. Boemans, M. Bosquet, J. Grözinger, B. von Man-teuffel, N. Surmeli, Heat Pump Implementation Scenarios until 2030 - Main report, (2013) 91.

[12] Y. Bi, X. Wang, Y. Liu, H. Zhang, L. Chen, Comprehensive exergy analysis of a ground-source heat pump system for both building heating and cooling modes, Appl. Energy. 86 (2009) 2560–2565.

[13] Å. Blomsterberg, K. Engvall, Overcoming barriers to implementation of very low energy residential buildings in Northern Europe, ECEEE 2011 Summer Study. (2011) 1157–1161.

[14] U. Bogenstätter, Prediction and optimization of life-cycle costs in early design, Build. Res. Inf. 28 (2000) 376–386.

[15] I. Boian, F. Chiriac, Pompe de căldură, MATRIXROM, 2013. [16] I. Boian, S. Fotă, Performanța energetică a clădirilor și indicele de emisii echivalent

CO2, Instalatorul. 23 (2015) 16–23. [17] A. Vanden Borre, Definition of heat pumps and their use of renewable energy sources,

(2011) 38–39. [18] P. Bratu, Dynamic Parameters Optimization for the Vibrating Sieve with Two Granular

Material Sizing Units, Working in Resonance, Rev. Chim. 62 (2011) 832–836. [19] P. Bratu, A. Leopa, Considerations on the non-linear modelling of the dynamics of the

vibration and shock isolators made from composite neoprene., Ann. Univ. Dunarea Jos Galati Fascicle XIV, Mech. Eng. 14 (2010).

[20] A.I. Brezeanu, G. Dragomir, I. Boian, V. Ciofoaia, Oportunitatea utilizării pompelor de căldură în aplicațiile industriale, in: A 48-a Conf. Natl. Instal., Sinaia, 2013.

[21] A.I. Brezeanu, G. Dragomir, V. Ciofoaia, I. Boian, Cercetări experimentale privind urili-zarea și funcționarea sistemlor de pompe de căldură, in: A 50-a Conf. Instal., 2015.

69

[22] A.I. Brezeanu, G. Dragomir, C. Năstac, N. Iordan, L. Boieriu, The Usage of Earth ’ S Natural Potential for Cooling and Heating in an Industrial Building, in: I. Vișa (Ed.), Built Environ. – Steps Towar. nZEB, Springer International Publishing, 2014: pp. 1–8.

[23] A.I. Brezeanu, G. Dragomir, A. Șerban, F. Chiriac, I. Boian, Heat pump operation at Transylania University research and education for the future, in: Conferința Instal. Chi-șinău, 2013.

[24] A.I. Brezeanu, G. Năstase, A. Șerban, G. Dragomir, Evaluation of heat pump efficiency in real life conditions. a case study, in: 16th Int. Sci. Conf. Earth Geosci., Albena, 2016.

[25] A.D. Carvalho, High Efficiency Ground Source Heat Pump Systems for SUSTAINABLE BUILDING SPACE CONDITIONING, Coimbra, 2015.

[26] Y.A. Cengel, M.A. Boles, Thermodynamics An Engineering Approach, J. Chem. Inf. Mo-del. 53 (2013) 1029.

[27] X. Chen, X. Hao, Exergy analysis of a ground-coupled heat pump heating system with different terminals, Entropy. 17 (2015) 2328–2340.

[28] F. Chiriac, Instalații frigorifice, Editura Didactică și pedagogică, București, 1981. [29] K.J. Chua, S.K. Chou, W.M. Yang, Advances in heat pump systems: A review, Appl.

Energy. 87 (2010) 3611–3624. [30] D.A. Chwieduk, Solar-assisted heat pumps, Compr. Renew. Energy. 3 (2012) 495–528. [31] Comisia Europeană, Energy, (n.d.). [32] Comisia Europeană, DECIZIA COMISIEI din 18 iulie 2007 de stabilire a unor orientări

privind monitorizarea şi raportarea emisiilor de gaze cu efect de seră în conformitate cu Directiva 2003/87/CE a Parlamentului European şi a Consiliului, (2007).

[33] Comisia Europeană, COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE EURO-PEAN PARLIAMENT, THE COUNCIL, THE EUROPEAN ECONOMIC AND SOCIAL COMMITTEE AND THE COMMITTEE OF THE REGIONS A Roadmap for moving to a competitive low carbon economy in 2050, Bruxel, 2011.

[34] Comsol, The Heat Transfer Module User’s Guide - 4.4, (n.d.). [35] D. Connolly, B.V. Mathiesen, P.A. Østergaard, B. Möller, S. Nielsen, H. Lund, U.

Persson, D. Nilsson, S. Werner, D. Trier, HEAT ROADMAP EUROPE 2050 STUDY FOR THE EU27, Aalborg, 2012.

[36] D. Connolly, B.V. Mathiesen, P.A. Østergaard, B. Möller, S. Nielsen, H. Lund, U. Persson, D. Nilsson, S. Werner, D. Trier, Heat Roadmap Europe 2050 – Second pre study for the EU 27, Aalborg, 2013.

[37] Danish Governement, Energy Strategy 2050 - From Coal, Oil and Gas to Green Energy, Danish Energy Agency. (2011).

[38] G. Dragomir, Sisteme de încălzire/răcire prin radiație de joasă temepratură utilizând energia geotermală, Transilvsnis Brașov, 2015.

[39] G. Dragomir, A. Brezeanu, V. Ciofoaia, EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE TEM-PERATURE DISTRIBUTION OF THERMALLY ACTIVATED BUILDING SYSTEMS ( TABS ), (2014).

[40] G. Dragomir, A.I. Brezeanu, V. Ciofoaia, Efficiency, and environmental assessment of ground-source heat pumps in industrial buildings., Bull. Transilv. Univ. Braşov. 7 (2013).

[41] G. Dragomir, A.I. Brezeanu, V. Ciofoaia, Experimental research on the temperaure dis-tribution of thermally activated building systems (TABS), Bull. Transilv. Univ. Braşov. 7(56) (2014).

[42] G. Dragomir, A.I. Brezeanu, A. Șerban, G. Năstase, V. Ciofoaia, The assessment of flow temperature and coating layer on TABS performance, Bull. Transilv. Univ. Braşov. 7(56) (2014).

[43] G. Dragomir, G. Năstase, V. Ciofoaia, I. Boian, A. Șerban, Design parameters influence on the termotechnical performance of TABS cooling system, Bull. Transilv. Univ. Bra-sov. 7 (2014).

[44] G. Dragomir, G. Năstase, V. Ciofoaia, I. Boian, A. Șerban, A.I. Brezeanu, The impact of design parameters on the cooling performance of TABS, Bull. Transilv. Univ. Braşov.

70

7(56) (2014). [45] G. Dragomir, G. Năstase, A. Șerban, A.I. Brezeanu, Heat pumps energy potential for

heating in industrial buildings . - Evaluation of heat pump efficiency in real life conditions. a case study, in: 16th Int. Sci. Conf. Earth Geosci., Albena, 2016.

[46] G. Dragomir, A. Şerban, G. NǍstase, A.I. Brezeanu, Wind energy in Romania: A review from 2009 to 2016, Renew. Sustain. Energy Rev. 64 (2016).

[47] L. Drughean, Sisteme frigorifice nepoluante, MATRIXROM, București, 2005. [48] L. Drughean, A. Ilie, Instalatii frigorifice pentru climatizarea spatiilor cu destinatii speci-

ale. Note de curs, MATRIXROM, București, 2015. [49] Earth Energy, Geothermal heat pumps, (n.d.). [50] C. Eklöf, S. Gehlin, TED - A Mobile Equipment for Thermal Response Test, (1996) 65. [51] Energy-models.com, http://energy-models.com/training/energy-plus/introduction, (n.d.). [52] EnergyStar, ENERGY STAR Most Efficient 2016 — Geothermal Heat Pumps, (2016). [53] H. Esen, M. Inalli, M. Esen, K. Pihtili, Energy and exergy analysis of a ground-coupled

heat pump system with two horizontal ground heat exchangers, Build. Environ. 42 (2007) 3606–3615.

[54] Eurelectric, Power Statistics & Trends 2012, 2012. [55] Eurostat, EUROSTAT DATABASE, (2015). [56] D.E. Fisher, S.J. Rees, S.K. Padhmanabhan, A. Murugappan, Implementation and va-

lidation of ground-source heat pump system models in an integrated building and sys-tem simulation environment, HVAC R Res. 12 (2006) 693–710.

[57] K. Flodberg, Very Low Energy Office Buildings in Sweden Simulations with low internal heat gains, 2012.

[58] GRUNDFOSS, Pompa de circulație ALPHA2 L, (n.d.). [59] L. Gynther, B. Lappillone, K. Pollier, Energy efficiency trends and policies in the house-

hold and tertiary sectors. An analysis based on the ODYSSEE and MURE databases, 2015.

[60] S. Häkämies, J. Hirvonen, J. Jokisalo, A. Knuuti, R. Kosonen, T. Niemelä, S. Paiho, S. Pulakka, Heat pumps in energy and cost efficient nearly zero energy buildings in Fin-land, 2015.

[61] A. Hepbasli, M. Tolga Balta, A study on modeling and performance assessment of a heat pump system for utilizing low temperature geothermal resources in buildings, Build. Environ. 42 (2007) 3747–3756.

[62] M. Hernández-Román, A. Manzano-Ramírez, J. Pineda-Piñón, J. Ortega-Moody, Exer-getic and Thermoeconomic Analyses of Solar Air Heating Processes Using a Parabolic Trough Collector, Entropy. 16 (2014) 4612–4625.

[63] M. Van der Hoeven, CO2 Emissions from Fuel Combustion Highlights, Int. Energy Agency. (2014) 1–134.

[64] K. Huchtemann, D. Müller, Evaluation of a field test with retrofit heat pumps, Build. En-viron. 53 (2012) 100–106.

[65] International Energy Agency, Technology Roadmap, (2014). [66] N. Iordan, G. Dragomir, A.I. Brezeanu, Effects of global warming on the sizing of drai-

nage networks, Bull. Transilv. Univ. Braşov. 7 (2013). [67] K. Kaitin, C.-P. Milne, J. DiMasi, J. Cohen, K. Getz, J. Reichert, R. Shader, Outlook

2009, Outlook. 2009 (2009) 2–9. [68] S. Kavanaugh, K. Rafferty, GEOTHERMAL HEATING AND COOLING: DESIGN OF

GROUND-SOURCE HEAT PUMP SYSTEMS, 1997. [69] B. Klein, Independent testing of heat pumps is needed for reliable COP, REHVA J.

(2012) 15–18. [70] J. Kurnitski, A. Saari, T. Kalamees, M. Vuolle, J. Niemel??, T. Tark, Cost optimal and

nearly zero (nZEB) energy performance calculations for residential buildings with REHVA definition for nZEB national implementation, Energy Build. 43 (2011) 3279–3288.

71

[71] E.H. Kuzgunkaya, A. Hepbasli, Exergetic performance assessment of a ground-source heat pump drying system, Int. J. Energy Res. 31 (2007) 760–777.

[72] Lennox, Catalog general, (2015). [73] J. Luo, J. Rohn, M. Bayer, A. Priess, L. Wilkmann, W. Xiang, Heating and cooling per-

formance analysis of a ground source heat pump system in Southern Germany, Ge-othermics. 53 (2015) 57–66.

[74] Mantzos L, Capros P, K. N, Zeka-Paschou, European Energy and Transport, 2006. [75] A.J. Marszal, P. Heiselberg, R. Lund Jensen, J. N??rgaard, On-site or off-site renewable

energy supply options? Life cycle cost analysis of a Net Zero Energy Building in Den-mark, Renew. Energy. 44 (2012) 154–165.

[76] B. Morrone, G. Coppola, V. Raucci, Energy and economic savings using geothermal heat pumps in different climates, Energy Convers. Manag. 88 (2014) 189–198.

[77] A. Mustafa Omer, Ground-source heat pumps systems and applications, Renew. Sus-tain. Energy Rev. 12 (2008) 344–371.

[78] G. Năstase, A. ??erban, G. Dragomir, S. Bolocan, A.I. Brezeanu, Box window double skin fa??ade. Steady state heat transfer model proposal for energetic audits, Energy Build. 112 (2016) 12–20.

[79] G. Năstase, A. Șerban, G. Dragomir, A.I. Brezeanu, Box double-skin facade. experi-mental research in heat transfer in temperate continental climate, in: 16th Int. Sci. Conf. Earth Geosci., Albena, 2016.

[80] Națiunile unite, Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change, Protoc. La Kyoto Ref. La Schimbările Clim. (1998) 21.

[81] NIBE, GROUND SOURCE HEAT PUMP Heat pump with rock , ground or lake as heat source ., (n.d.).

[82] J. Nieminen, R. Holopainen, I. Kouhia, The Passive House Concept Study abstract, n.d. [83] J. NIEMINEN, I. KOUHIA, The finnish IEA Task 13 experimental building in Pietarsaari :

Completed results, in: T.K. Oy (Ed.), Int. Conf. Sol. Energy High Latitudes No7, Helsinki, 1997: pp. 876–883.

[84] Parlamentul European, Document de însoțire a PROPUNERII DE REFORMARE A DI-RECTIVEI PRIVIND PERFORMANȚA ENERGETICĂ A CLĂDIRILOR (2002/91/CE), (2010) 35.

[85] Parlamentul European, DIRECTIVA 2010/31/UE A PARLAMENTULUI EUROPEAN ȘI A CONSILIULUI, (2010) 35.

[86] PARLAMENTUL EUROPEAN ȘI CONSILIUL UNIUNII EUROPENE, Directiva 2009/28/Ce a Parlamentului European Și a Consiliului Ce, 2008 (2009) 16–62.

[87] PARLAMENTUL EUROPEAN ȘI CONSILIUL UNIUNII EUROPENE, DIRECTIVA 2009/125/CE A PARLAMENTULUI EUROPEAN ȘI A CONSILIULUI din 21 octombrie 2009 de instituire a unui cadru pentru stabilirea cerințelor în materie de proiectare eco-logică aplicabile produselor cu impact energetic, (2009) 10–35.

[88] Parlamentul României, Lege Privind perdormanța energetică a clădirilor, (2005) 7. [89] C. Petersdorff, T. Boermans, J. Harnisch, Mitigation of CO2 emissions from the EU-15

building stock: beyond the EU Directive on the Energy Performance of Buildings., Envi-ron. Sci. Pollut. Res. Int. 13 (2006) 350–358.

[90] S. Pogharian, J. Ayoub, J.A. Candanedo, A.K. Athienitis, Getting to a Net Zero Energy Lifestyle in Canada: The Alstonvale Net Zero Energy House, 23rd Eur. Photovolt. Sol. Energy Conf. Exhib. (2008) 3305.

[91] V. Radcenco, A. Florescu, T. Duicu, N. Burchiu, S. Dumitriu, P. Zdrenghea, M.G. Ghi-țulescu, A. Dobrovicescu, T. Dragomir, Instalații de pompe de căldură, Editura tehnică, București, 1985.

[92] J. Salom, A.J. Marszal, J. Widén, J. Candanedo, K.B. Lindberg, Analysis of load match and grid interaction indicators in net zero energy buildings with simulated and monitored data, Appl. Energy. 136 (2014) 119–131.

[93] A. Sander, C. Saw, A. Juari, B. Centro, M.H.S. A, M. Saw, General catalogue, (2011).

72

[94] I. Sarbu, C. Sebarchievici, General review of ground-source heat pump systems for heating and cooling of buildings, Energy Build. 70 (2014) 441–454.

[95] S.J. Self, B. V. Reddy, M.A. Rosen, Geothermal heat pump systems: Status review and comparison with other heating options, Appl. Energy. 101 (2013) 341–348.

[96] A. Şerban, F. Chiriac, G. Năstase, Instalaţii frigorifice. Aplicaţii şi probleme rezolvate, AGIR, București, 2012.

[97] A. Șerban, G. Năstase, G. Dragomir, A.I. Brezeanu, Interactive whiteboard teaching and online learning cryogenics, in: 16th Int. Sci. Conf. Earth Geosci., Albena, 2016.

[98] A. Șerban, G. Năstase, G. Dragomir, A.I. Brezeanu, Heat transfer and vapor diffusion through contemporary walls, in: 16th Int. Sci. Conf. Earth Geosci., Albena, 2016.

[99] J.D. Spitler, L.E. Southard, Performance of the HVAC Systems at the ASHRAE Headquarters Building, (2014).

[100] U.S. Department of Energy, Energy-efficient strategies for supplying hot water in the home, (2001).

[101] E. Union, K. Protocol, Climate change, (2013). [102] Us Department Of Energy, Getting Started with EnergyPlus: Basic Concepts Manual -

Essential Information You Need about Running EnergyPlus, (2010) 67. [103] US Department of Energy, EnergyPlus Engineering Reference: The Reference to Ener-

gyPlus Calculations, US Dep. Energy. (2010) 1–847. [104] C. Wemhoener, Prototype systems New integrated heat pump systems for the applica-

tion in low energy houses, 2011. [105] C. Wemhöner, Final report IEA HPP Annex 32 Project outline and summary of main

results, n.d. [106] C. Wemhöner, Field monitoring Results of field tests of heat pump systems in low energy

houses, 2011. [107] H. Yang, P. Cui, Z. Fang, Vertical-borehole ground-coupled heat pumps: A review of

models and systems, Appl. Energy. 87 (2010) 16–27.

73

CURRICULUMVITAE Nume şi prenume BREZEANU Alin Ionuț Adresă Bld. Eroilor, nr. 40, Bl.30A, ap. 15, Predeal, jud.

Brașov Telefon 0728081328 E-mail alin.brezeanu@unitbv.ro Data nașterii 11.06.1987. EDUCAȚIE ȘI FORMARE Perioada 02.10.2012- prezent Calificarea /Diploma obținută Studii doctorale postuniversitare

Numele şi tipul instituției de învățămȃnt Universitatea Transilvania din Braşov, Fa-

cultatea de Construcții Perioada 2010-2012 Calificarea /Diploma obținută Master: Modernizarea energe-

tică a clădirilor Numele şi tipul instituției de învățămȃnt Universitatea Transilvania din Braşov, Fa-

cultatea de Construcții Perioada 2006-2010

Calificarea /Diploma obținută Inginer/diploma de inginer. Programul de studii: Instalații pentru Construcții

Numele şi tipul instituției de învățămȃnt Colegiul Național „Nicolae Grigorescu”

Perioada 2002-2006 Calificarea /Diploma obținută Diplomă de bacalaureat EXPERIENȚĂ PROFESIONALĂ Perioada 2011- prezent

Funcția administrator, proiectant instala-ții

Angajator S.C. MEP DESIGN S.R.L. APTITUDINI ŞI COMPETENȚE PERSONALE

Activitatea de cercetare Concretizată în 12 articole publicate în re-viste și conferințe din țară și străinătate.

Competențe şi aptitudini de utilizare a calculatorului Microsoft Office, AutoCAD Limbi străine cunoscute Engleza

74

CURRICULUMVITAE

PERSONAL INFO Name and surname BREZEANU Alin Ionuț Adress Bld. Eroilor, nr. 40, Bl.30A, ap. 15, Predeal, jud.

Brașov Mobile 0728081328 E-mail alin.brezeanu@unitbv.ro Birthday 11.06.1987. EDUCATION AND TRENING Period 02.10.2012- present day Qualification PhD. student

Name and type of institution Transilvania Universty, Braşov, Civil Engi-

neering Faculty Perioada 2010-2012 Calificarea /Diploma obținută Master Degree

Numele şi tipul instituției de învățămȃnt Transilvania Universty, Braşov, Civil Engi-

neering Faculty Perioada 2006-2010

Calificarea /Diploma obținută Engeener Degree Numele şi tipul instituției de învățămȃnt National College „Nicolae Grigorescu”

Perioada 2002-2006 Calificarea /Diploma obținută Highschoole Degree EXPERIENȚĂ PROFESIONALĂ Perioada 2011- present day

Funcția administrator, building service degree

Angajator S.C. MEP DESIGN S.R.L. APTITUDINI ŞI COMPETENȚE PERSONALE

Activitatea de cercetare Materialized in 15 published scientific articles

Competențe şi aptitudini de utilizare a calculatorului Microsoft Office, AutoCAD Limbi străine cunoscute English

75

REZUMAT

Prezenta teză de doctorat, prezintă investigații experimentale și de modelare fizico-matema-tică a sistemelor de pompe de căldură în interacțiune cu clădirile pe care le deservesc și care vizează o mai bună înțelegere a acestor sisteme conectate la o sursă geotermală, precum și posibilitatea de analiză a performanțelor funcționale ale acestora; în acest context am studiat comportamentul in situ al sistemului, cu intervenții ale ocupanților asupra performanțelor funcționale, precum și impactul acestora asupra scopului urmărit, anume atingerea nivelului de consum de energie aproape egal cu zero (nZEB) și care conduce implicit la reducerea masivă a emisiilor de GES.

În acest context studiul pe care l-am efectuat a analizat un sistem de pompă de căldură inte-grat într-o clădire istorică, amplasată în Galați. Prin reabilitarea termică a clădirii experimentale s-a dorit reducerea consumului de energie și implicit a emisiilor de GES în vederea atingerii standardului nZEB pentru o clădire unifamilială, în care sunt asigurate condițiile interioare de confort. În cursul acestui proces, pe lângă izolarea termică a anvelopei exterioare, clădirea a fost echipată cu un sistem de pompă de căldură ce are solul ca sursă având trei sonde verticale cu lungimea de 100m fiecare. Eficiența sistemului, care este determinantă pentru emisiile de GES, a rezultat din analiza efectuată pe baza datelor experimentale culese in situ. În urma acestei analize am determinat factorul de performanță sezonieră (SPF) atât pentru sezonul de încălzire cât și pentru sezonul de răcire, luând în considerare diverse consumuri energetice auxiliare.

Validarea modelului fizic pe care l-am implementat în programul de simulare energetică Ener-gyPlus a fost posibilă prin compararea rezultatelor simulate cu cele pe care le-am măsurat in situ, în speță cele referitoare la consumul de energie a sistemului de pompă de căldură. În baza analizei de profitabilitate a sistemului de pompă de căldură a fost posibil să determin perioada de amortizare a investiției, anume de aproximativ 8 ani; după acest interval de timp pompa de căldură va funcționa cu cheltuieli minime comparativ cu soluția clasică cu cazan pe gaz, ceea ce reprezintă un beneficiu finan-ciar adus utilizatorului, cât și unul de mediu referitor la emisiile de GES.

SUMMARY

This thesis presents experimental investigations and mathematical modeling of heat

pumps systems interacting with the buildings they serve and aimes at a better understanding of these systems that are connected to a geothermal source and the possibility of functional analysis of the system performance. In this context, I studied the behavior of a system, the intervention of the occupants on functional performance and their impact on the intended pur-pose, to achieve the nearly zero energy building level (nZEB) which implicitly leads to the massive reduction in GHG emissions.

In this context the study that I conducted analyzed a integrated heat pump system installed in a historic building, located in Galați. Through the thermal rehabilitation of the expe-rimental building we wanted to reduce energy consumption and thus GHG emissions to achieve nZEB standard for the single-family building, and also the interior comfort conditions being ensured. During this process, in addition to thermal insulation of the external envelope, the building was equipped with a ground source heat pump system, wich has three vertical boreholes with a length of 100m each. System efficiency, which is crucial to the GHG emissi-ons resulting from the analysis based on experimental data collected in situ. Following this analysis, we determined SPF for both heating season and cooling season, taking into account different-auxiliary energy consumption.

Validation physical model that I have implemented in EnergyPlus energy simulation program was made possible by comparing simulated results with those measured in situ, na-mely those related to energy heat pump system. Based on the analysis of profitability of heat pump system it was not possible to determine the payback period of the investment, ie about 8 years; after this time the heat pump will operate with minimal costs compared to a traditional solution with gas boiler, which is a benefitciary funding brought the user and also to the envi-ronment by the GHG emissions reduction.