Pompe de caldura sol/apa/aer/soare

0
794

Utilizarea pompei de caldura constituie o rezerva uriasa de energie termica pentru incalzirea spatiilor si prepararea apei calde menajere. In acest articol voi aborda subiectul Pompe de caldura:

  • principiul de functionare,
  • performanta,
  • regimuri de functionare,
  • domeniile de utilizare,
  • eficienta si costuri.

Principiul de functionare unei al pompe de caldura

Pompele de caldura tipice, utilizeaza ca sursa de caldura, energia geotermala din sol, din apa sau din aer si furnizeaza caldura.

In acest context energia termica a tuturor surselor reci, inclusiv apa sau aer, este considerata de asemenea, energie geotermala. Temperaturile la care este disponibila energia geotermala difera de la o locatie la alta si influenteaza performantele pompelor de caldura.

O pompa de caldura functioneaza pe baza principiului al II-lea al termodinamicii: “Caldura nu poate trece niciodata de la sine de la un corp cu temperatura mai joasa la unul cu temperatura mai ridicata”. In secolul al XIX-lea, fizicianul James Watt a descoperit ca un gaz care este comprimat degaja caldura si invers, daca este destins – absoarbe caldura.

In timpul functionarii pompei de caldura avem:

  • un corp cu temperatura mai joasa (temperatura mediului ambiant) – sursa rece;
  • un corp cu temperatura mai mica decat temperatura sursei reci – agent frigorific;
  • un corp care va trebui sa primeasca, de la agentul frigorific, caldura (in condensator), numit agent termic;

Poate ca nu stiati ca frigiderul este de fapt tot o pompa de caldura care insa functioneaza invers: el raceste o incinta si incalzeste aerul din imediata vecinatate.

Clasificarea pompelor de caldura

Clasificarea pompelor de caldura in functie de sursa rece si agentul termic:

  • pompa de caldura sol-apa (sursa rece – solul, agent termic – apa);
  • pompa de caldura apa-apa (sursa rece – apa, agent termic – apa);
  • pompa de caldura aer-apa (sursa rece – aerul, agent termic – apa);
  • pompa de caldura aer-aer: folosesc ca sursa de caldura aerul atmosferic, care este si agent purtator de caldura;
  • pompa de caldura apa-aer: folosesc ca sursa de caldura apa de suprafata sau de adancime iar agentul purtator de caldura este aerul;
  • pompa de caldura sol-aer: folosesc ca sursa de caldura solul iar agentul purtator de caldura este aerul;
  • pompa de caldura soare-aer: folosesc ca sursa de caldura energia termica provenita de la soare prin radiatie iar agentul purtator de caldura este aerul;
  • pompa de caldura soare-apa: folosesc ca sursa de caldura radiatia solara iar agentul purtator de caldura este apa.

Principalele tipuri de pompe de caldura

Iata care sunt principalele tipuri de pompe de caldura utilizate ca aplicatii imediate in sistemele de incalzire-racire pentru constructiile civile.

Sistemul cu pompa de caldura sol-apa

a) Sistemul cu pompa de caldura cu captatoare plane

Un astfel de sistem se poate folosi in situatia in care dispunem de spatiu suficient in jurul obiectivului pe care dorim sa-l incalzim cu o pompa de caldura.

Necesarul de spatiu exterior este aproape dublu fata de suprafata locuibila, care trebuie incalzita. Spatiul necesar se micsoreaza proportional cu imbunatatirea anvelopei termice a cladirii (termoizolatia).

pompa de caldura sol-apa

Exemplu: pentru o cladire de 200 mp a cu izolatie exterioare clasica este necesar un spatiu exterior pentru captatoare plane de cca. 400 mp. Aceeasi cladire cu izolatie imbunatatita poate avea un necesar de spatiu pentru captatoare de 300 mp sau chiar mai mic.

La dimensionarea captatoarelor plane se tine cont si de calitatea solului privind puterea specifica de extragere a caldurii: sol uscat necompactat 10 W/m²; sol compactat umed 20-30 W/m²; sol ud cu nisip si pietris 40 W/m²;

Circuitul captatoarelor este umplut cu solutie antigel (glicol) si se ingroapa la 1 – 1,5 m in sol.  Terenul poate fi cultivat.

Avantajele sistemului: fiabil, simplu de realizat, investitie relativ mica, randament ridicat (in functie de sol).

Dezavantaje: spatiul mare necesar amplasarii colectoarelor, nu poate fi amplasat pe orice tip de sol.

b) Sistemul cu pompa de caldura cu sonde de adancime (verticale)

Acest sistem se preteaza acolo unde nu dispunem de spatiu suficient in jurul constructiei. Adancimea de sondare este cuprinsa intre 50 – 100 m, distanta dintre sonde fiind de minim 5 m.

In functie de tipul solului puterea de extragere a caldurii cu sonde de adancime exprimata in W pe metru liniar are valorile urmatoare:

  • sedimente uscate – 30 W/ml
  • ardezie bazaltica – 55 W/ml
  • piatra densa cu conductibilitate termica ridicata – 80 W/ml
  • sol cu circulatie puternica a apei freatice – 100 W/ml

Sistemul cu sonde verticale are acelasi principiu de baza ca si cel al captatoarelor plane.

Avantaje: fiabilitate ridicata, nu ocupa spatiu mare, COP ridicat.

pompa de caldura sol-apa vertical

Sistemul cu pompa de caldura cu vaporizare directa

La aceste sisteme nu mai exista un circuit separat de captare, circuitul agentului frigorific avand rolul de circuit de captare, fiind ingropat direct in sol, devenind astfel captatorul “sursei reci“.

Acest circuit direct este realizat din teava de cupru fara suduri (“la colac”) si un manson de protectie din polietilena. Circuitul se ingroapa la cca. 1,5 m si se aseaza pe un pat de nisip.

Avantajele sistemului: COP foarte ridicat, fiabilitate mai mare fata de sistemul cu captatoare plane, suprafata ocupata este mai mica fata de sistemul cu captatoare plane.

Dezavantaje: plaja de putere este limitata, depinde de “calitatea” solului.

Sistemul cu pompa de caldura cu vaporizare directa

Sistemul cu pompa de caldura apa-apa

Sistemul cu pompa de caldura apa-apa are cele mai ridicate performante dintre toate pompele de caldura (in conditiile in care dimensionarea si montajul sunt corecte).

Numit si sistemul de captare cu bucla deschisa, sistemul impune viteze de curgere a apei prin vaporizator sub 0,8 m/s.

Pana la ora actuala acest sistem are o raspandire restransa deoarece:

  • calitatea apei trebuie sa indeplineasca practic calitatea apei potabile;
  • apa extrasa din straturile freatice trebuie reinjectata in sol;
  • pentru fiecare kW termic instalat este necesar un volum minim de apa de 150 l/h.

Pompa de caldura apa-apa poate fi utilizata si prin exploatarea apei din lacuri, fluvii, baraje in conditiile respectarii criteriilor de calitate a apei (folosind filtre corespunzatoare).

In calculul rentabilitati si al pretului real platit ar trebui luate in considerare costurile legate de pompa de put si realizarea retelei de alimentare si mai presus de atat in calculul COP-ului nu este inclus in general consumul acestei pompe de put, odata inclus consumul electric al pompei de put COP-ul pompei de caldura apa-apa scade.

pompa de caldura apa-apa verticala

Sistemul cu pompa de caldura aer-apa

Cu toate ca pompele de caldura aer-apa au cel mai scazut COP, este, alaturi de sistemul sol-apa, unul dintre cele mai vandute.

Sistemul aer-apa este un sistem relativ simplu de montat si nu necesita lucrari speciale de amenajare (sapaturi, foraje, etc.). Dezavantajul major al sistemului este faptul ca nu poate functiona monovalent la temperaturi foarte scazute, sub -15°C.

Cu toate aceste dezavantaje, pompa de caldura aer-apa este extrem de utilizata atat pentru prepararea apei calde menajere cat si pentru incalzire.

Sistemul cu pompe de caldura aer-apa este utilizat cu succes si pentru incalzirea piscinelor.

Sistemul cu pompa de caldura aer-apa

Coeficientul de performanta

Coeficientul de performanta real (COP) depinde de ecartul de temperatura dintre sursa rece si agentul termic.

Pentru o eficienta maxima, diferenta de temperatura intre sursa rece (apa, aer, sol) si agentul termic trebuie sa fie cat mai mica.

Din aceasta cauza sunt mai rentabile sistemele de distributie a caldurii cu temperaturi coborate ( 30 ÷ 40 °C) si anume: incalzire in pardoseala, in pereti, ventiloconvectoare.

Observatii

1. In teorie, daca o pompa de caldura are COP = 5 (la un anumit ecart de temperatura), respectiva pompa de caldura produce cu 1 kW putere electrica 5 kW putere termica. Putem spune ca acesta ar fi randamentul pompei de caldura.

2. Valoarea COP-ului este o valoare momentana. Pentru a putea stabili un COP cat mai aproape de realitate se ia in calcul o perioada mai lunga de timp (SCOP – Seasonal Coefficent Of Performance).

3. Coeficientul de performanta al pompei de caldura pentru regimul de racire (climatizare de vara) este denumit si EER – eficienta energetica de racire. In acest mod de functionare pompa de caldura efectueaza ciclul Carnot normal, la fel ca un banal frigider.

4. Prescurtarile COP (Coefficent Of Performance) si EER (Energy Efficency Ratio) corespund cu prescurtarile din limba engleza.

5. EER are o importanta deosebita la dimensionarea pompei de caldura reversibila deoarece necesarul de racire este intotdeauna mai mare decat necesarul de incalzire. In aceasta situatie puterea pompei de caldura va fi data de necesarul de racire!

Alegerea unei pompe de caldura

Regimul de functionare conteaza foarte mult la dimensionarea corecta a unei pompe de caldura. In acest sens putem intalni urmatoarele situatii:

  • pompe de caldura supradimensionate – pe langa faptul ca marestc costurile de investitie duc la o functionare defectuoasa;
  • pompe de caldura subdimensionate duc la marirea timpului de functionare;

Aceste lucruri, pe langa multe altele, fac din pompele de caldura un produs special ce nu poate fi vandut de simplii comercianti “dupa ureche”!

In alegerea pompelor de caldura pentru incalzire avem nevoie de urmatoarele date:

  • suprafata locuibila (suprafata totala, inaltimea incaperilor);
  • zona geografica in care se afla locuinta;
  • posibilitatea de instalare a altor sisteme de incalzire (gaze, gaz lichefiat);
  • tipul terenului din imprejurul locuintei;
  • existenta altor surse de incalzire;
  • conditii de alimentare cu energie electrica (retea mono sau trifazat, puterea electrica maxima permisa pe racordul electric);
Fiecarui obiectiv ii corespunde un anumit tip de pompa de caldura, care nu poate fi vandut ca un produs oarecare!

Analiza costurilor de investitie si de exploatare ofera informatiile necesare in luarea deciziilor de a implementa sau nu un sistem cu pompe de caldura.

Dimensionarea unei pompe de caldura

a) Dimensionarea pompei de caldura doar incalzire

Stabilirea necesarului de incalzire se va face in conformitate cu sistemul folosit. Calculul sarcinii termice necesare se va raporta la metrul patrat de suprafata luandu-se in calcul inaltimea maxima a incaperii H=3m. In cazuri atipice se vor face corectiile necesare.

Dimensionarea corecta a unei pompe de caldura este esentiala pentru durata ei de functionare!

Datorita pretului ridicat al pompelor de caldura este neeconomic sa incalzim spatii prost izolate, care solicita puteri termice ridicate. Bun, acum hai sa recunoastem, pentru acest tip de spatii nu exista sistem optim de incalzire. Este nevoie de o izolare termica mai intai.

La stabilirea puterii pompei de caldura reversibile (care poate face cald/iarna si rece/vara) se va tine seama de puterea de racire (EER) care este intotdeauna mai mare decat puterea de incalzire.

Calculul orientativ al necesarul termic:

  • 50 W/m² pentru constructii bine izolate termic;
  • 70 W/m² pentru constructii cu termoizolatie medie;
  • 90 W/m² pentru constructii slab izolate termic.

b) Dimensionarea pompei de caldura pentru apa calda menajera (ACM)

Pompele de caldura pentru apa calda menajera (acm) pot fi realizate pe baza pompelor de caldura de incalzire (prin atasarea unui modul) sau pot fi independente. In general pentru nevoile de apa calda menajera ale unei familii se recomanda o pompa dedicata acestui scop.

De obicei aceasta pompa este de tipul aer-apa si investitia este aproape identica cu a unui modul atasat.

Necesarul orientativ de apa calda menajera:

Utilizare acm (l) la 45°C Wh/zi persoana
Baie completa 100 - 130 4000 - 5200
Dus 25 - 45 1000 - 1800
Spalat pe maini 2 - 5 60 - 180
Toaleta de seara/dimineata 5 - 10 180 - 400
Spalare vase (4 pers.) 30 1200

Conform tabelului de mai sus va rezulta un necesar mediu de cca. 50 l/zi per persoana la o temperatura de 45°C.

Agentul frigorific

In functionarea unei pompe de caldura agentul frigorific joaca un rol esential.

Agentul frigorific, pe langa faptul ca are un punct de fierbere foarte scazut (cca -2°C) are si proprietatea de a acumula energie transformandu-se din stare lichida in stare gazoasa putand usor ceda aceasta caldura, revenind la starea lichida initiala.

In momentul in care agentul frigorific devine gaz prin preluarea caldurii de la sursa rece, acesta este introdus intr-un compresor unde temperatura sa creste cu cateva zeci de grade, suficient sa ajunga la o temperatura mai mare decat a agentului termic si sa-i poata ceda acestuia caldura.

Dupa ce agentul frigorific cedeaza energia agentului termic, revine treptat la starea initiala (lichida) si este trecut printr-un ventil de expansiune unde pierde presiunea acumulata in compresor.

Din acest moment ciclul se repeta iar pompa de caldura “pompeaza” caldura dinspre sursa rece spre agentul termic – prin intermediul agentului frigorific si cu ajutorul compresorului.

CONCLUZII:

Statisticile din domeniu arata urmatoarele repartizari ale pierderilor de energie:

  • cca. 23% prin plafonul superior;
  • cca. 10% prin podeaua inferioara;
  • cca. 27% prin peretii exteriori;
  • cca. 40% prin ferestre si usi exterioare;

Ideea este asta:orice fel de sistem de incalzire ar putea reduce consumurile de incalzire in primul rand prin imbunatatirea anvelopei termice!

izolarea locuintei

Surse:

Voteaza si tu

LĂSAȚI UN MESAJ

Please enter your comment!
Please enter your name here

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.