POMPE DE CALDURA - INTRODUCERE

Resursele limitate de combustibili si orientarea la nivel mondial catre protectia mediului sunt aspecte care au atras atentia asupra posibilitatii utilizarii surselor de energie regenerabila. Astazi, aceste pompe de caldura reprezinta echipamente de incalzire sigure, eficiente si inovative, cu functionare economica din punct de vedere al consumului de energie electrica.

Pompe de caldura - sunt echipamente care ofera premisele tehnice necesare pentru a folosi eficient energia solara acumulata in apele subterane, in sol sau in aer, sub forma de caldura ecologica, pentru incalzirea sau racirea incintelor si pentru preparare de apa calda menajera.

Pompa de caldura obtine aproximativ trei sferturi din energia necesara din mediul inconjurator, iar pentru restul, pompa de caldura utilizeaza ca energie de actionare curentul electric.
Pompele de caldura moderne ofera posibilitati tehnice efective pentru reducerea consumului de energie si a emisiilor de CO2. La modernizarea cladirilor vechi, precum si la cladirile noi, pompa de caldura reprezinta o buna alternativa.
Acest articol trateaza principiile de baza ale tehnologiei pompelor de caldura, principalele variante tehnice si ilustreaza cele mai importante aspecte ale aplicatiilor care integreaza aceste echipamente.

 DE CE O POMPA DE CALDURA?

 1. Motivatia economica
1.1 Costuri de exploatare reduse
-In functie de tipul pompei de caldura, pana la 3/4 din energia de incalzire se pot obtine din mediu (gratuit).
-Prin intermediul unui compresor (actionat electric!) pompa de caldura crPompe de caldura - evolutie consumeste temperatura agentului termic preluat din mediu pana la temperatura necesara in sistemul de incalzire al casei.
-Cu o pompa de caldura se poate utiliza tot timpul anului energia solara acumulata in mediul ambiant!
1.2 Independenta fata de combustibilii fosili
Sursele de energie utilizate de pompa de caldura sunt disponibile chiar la usa noastra, total independente de disponibilitatea sau pretul combustibililor fosili.

2. Confort
Sistemul de incalzire cu pompe de caldura ofera cel mai mare grad de confort si cea mai usoara  exploatare. Sistemul de distributie a caldurii utilizat in mod normal in combinatie cu pompele de caldura (incalzire in pardoseala, pereti, sisteme de incalzire de joasa temperatura) garanteaza un climat confortabil si sanatos.
Modelele de pompe de caldura reversibile (apa-apa sau sol-apa) pot asigura si necesarul de racire pe timp de vara.
Sistemele cu pompa de caldura sunt in general foarte silentioase, complet automatizate si nu necesita operatii periodice de intretinere.
Nu este nevoie de un depozit pentru combustibil, nu sunt necesare eliminarea cenusii si curatarea cosului de fum.
3.Siguranta pentru viitor
Alegerea unui sistem de incalzire este o decizie pentru multi ani. Pompele de caldura reprezinta cea mai moderna tehnologie de incalzire disponibila la ora actuala.
   Astazi, pompele de caldura nu inlocuiesc numai sistemele de incalzire cu lemn, combustibil lichid sau carbune, ci din ce in ce mai des si sistemele care utilizeaza gaz natural.
In plus, exista intrebarea : ne vom putea permite costurile cu sistemul de incalzire si peste 20 de ani?
Cu fiecare crestere a preturilor combustibilor fosili, costul incalzirii cu pompe de caldura devine mai avantajos comparativ cu incalzirea cu gaz, combustibili lichid sau peleti.
Independent de cresterea pretului energiei electrice cu o pompa de caldura 3/4 din energia consumata este si ramane gratuita.
4.Functionare sigura
Pompele de caldura produc energie termica prin intermediul unui ciclu termodinamic, fara ardere de combustibil.
Acest aspect reduce considerabil riscul de accidente! Mai mult, pompele de caldura  functioneaza cu agenti frigorifici neinflamabili.
5.Ideale atat pentru cladiri noi si pentru reabilitarea cladirilor existente
Pompele de caldura pot fi utilizate pentru incalzirea si racirea cladirilor noi si a constructiilor cu un consum redus de energie (acolo unde majoritatea sistemelor conventionale nu sunt disponibile sau nu sunt convenabil de implementat tehnic sau economic datorita puterilor termice mici).
De asemenea, acolo unde exista deja un sistem modern de incalzire care utilizeaza combustibili fosili si se doreste o reducere a costurilor, pompele de caldura pot fi utilizate ca sisteme aditionale de incalzire (functionare in regim bivalent).
Pompe de caldura - energie fara poluanti
6.Functii multiple
Pompele de caldura pot furniza incalzire pe toata perioada sezonului rece, racire pe toata durata sezonului cald (cu mici modificari) si apa calda menajera pe toata perioada anului.
7. Ecologice
Arderea combustibililor fosili pentru incalzirea locuintelor si birourilor  reprezinta astazi una dintre cele mai mari surse de producere a CO2. Pompele de caldura produc  energie termica  fara poluanti utilizand energie din mediul inconjurator.

 CUM FUNCTIONEAZA O POMPA DE CALDURA?

Functionarea unei pompe de caldura - un principiu simplu, cu rezultate exceptionale
   Indiferent de tipul lor, aceste pompe de caldura pot fi privite ca echipamente care cresc temperatura unui mediu de lucru utilizand o cantitate de energiePompe de caldura - functionare aditionala, pentru a produce energie utila.
   Modul de functionare al unei pompe de caldura este in principiu identic cu al unui echipament pe care il utilizam in fiecare zi : frigiderul.
   Aceeasi tehnica, numai cu utilizare inversata; in cazul frigiderului, agentul de racire preia caldura din alimente si o cedeaza mediului inconjurator. Pompa de caldura preia caldura din mediul inconjurator (sol, apa sau aer) si o cedeaza sistemului de incalzire sub forma de energie termica.

 1. Vaporizatorul - preluarea caldurii din mediul inconjurator (sol,apa,aer)Pompe de caldura - vaporizator
   In vaporizator se afla un agent de lucru lichid la presiune scazuta (agent frigorific). Acesta este o substanta care are o temperatura de fierbere redusa. Temperatura sursei (solul, apa sau aerul) este mai ridicata decat temperatura de fierbere corespunzatoare presiunii agentului frigorific. Aceasta diferenta de temperatura conduce la transmiterea caldurii din mediu agentului de lucru, iar acesta fierbe si vaporizeaza. Caldura necesara vaporizarii acestuia provine de la sursa de caldura externa (sol, apa, aer).

2. Compresorul - cresterea temperaturii
   Vaporii rezultati din agentul de lucru sunt aspirati continuu din vaporizator de catre compresor. Agentul frigorific este comprimat pana la atingerea  temperaturii necesare pentru incalzire si preparare a apei calde menajere.
   Procesul de comprimare este esential pentru eficienta unei pompe de caldura.
   Pentru toata gama de pompe de caldura sunt utilizate compresoare Compliant Scroll; acestea constau in doua spirale (una fixa si una mobila) care comprima continuu agentul de lucru.
Compresoarele Compliant sunt complet ermetice, au o durata de viata mult mai mare si sunt mai silentioase fata de modelul cu piston utilizat in trecut la pompele de caldura.

3. Condensatorul
- Transferul de caldura catre instalatia de incalzire Vaporii agentului de lucru (agent frigorific) ajung in condensatorul pompei de caldura, care este inconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai redusa decat temperatura de condensare a agentului de lucru, astfel incat vaporii se racesc si condenseaza.
   Energia (caldura) preluata de vaporizator plus caldura generata in timpul procesului de comprimare (in compresor) se elibereaza in condensator si se transfera agentului termic sub forma de energie utila pentru incalzire.

4. Ventilul de expansiune - circuitul se inchide
   Agentul de lucru este ulterior returnat in vaporizator, printr-un ventil de expansiune. Astfel, agentul de lucru trece de la presiunea ridicata a condensatorului la presiunea redusa a vaporizatorului. La intrarea in vaporizator se ating din valorile initial ale presiunii si temperaturii. Circuitul este astfel inchis.

 POMPE DE CALDURA - PRINCIPALE COMPONENTE
 DE UNDE LUAM CALDURA?

Solul, apa si aerul sunt elemente disponibile in cantitati nelimitate pentru a fi utilizate ca sursa pentru o pompa de caldura.
In fiecare caz in parte, cea mai avantajoasa sursa de energie depinde dePompe de caldura - surse de caldura circumstantele locale, de locatia cladirii si de necesarul de caldura al acesteia.
Pentru utilizarea lor practica , sursele de energie trebuie sa indeplineasca cateva conditii:

  • disponibilitate in cantitate suficienta
  • capacitate de acumulare cat mai mare
  • nivel de temperatura cat mai ridicat
  • regenerare suficienta
  • captare economica

Solul

Pompe de caldura - variatie temperaturaSolul are proprietatea ca poate acumula si mentine enegia solara pe o perioada mai mare de timp, ceea ce conduce la un nivel de temperatura aproximativ constant pe durata intregului an si astfel la o functionare a pompelor de caldura cu un coeficient de performanta ridicat.
Temperatura in sol se situeaza intre 7 si 13°C pe toata durata unui an (la o adancime de 2 m).
Caldura preluata din mediul ambiant este transmisa vaporizatorului pompei de caldura sol-apa printr-un  amestec apa-agent de protectie la inghet (apa sarata); punctul de inghet al acestei solutii este de aproximativ -15°C.
Caldura acumulata in sol se preia prin schimbatoare de caldura montate orizontal-numite si colectori pentru sol- sau prin schimbatoare de caldura montate vertical- sonde pentru sol.

Colectori amplasati in sol - colectori orizontali
   Preluarea caldurii din sol se face prin intermediul tuburilor din material plastic - polietilena montate in sol pe o suprafata mare.Pompe de caldura - colectori
   Tuburile se amplaseaza paralel, in sol, la o adancime de 1.2 pana la 1.5 m si in functie de diametrul tubului, la o distanta de cca. 0,3 pana la 0,7 m, astfel incat pe fiecare metru patrat de suprafata de captare sa fie montat cca. 1,43 pana la 2 m de tub.
   Cantitatea de caldura care se poate utiliza si prin urmare marimea suprafetei necesare depind  foarte mult de calitatea solului. Referitor la acest aspect, marimile determinante sunt: in primul rand cantitatea de apa din sol, cantitatile de componente minerale si marimea porilor umpluti cu aer. Capacitatea de acumulare si conductibilitatea termica sunt cu atat mai mari cu cat solul este umectat cu apa si cu cat cantitatea de componente minerale este mai ridicata, iar numarul de pori este mai redus.
   Valorile puterii specifice de extractie pentru sol se incadreaza intre 10 si 35 W/m2.
   In cazul utilizarii colectorilor orizontali, in jurul tuburilor nu trebuie sadite plante cu radacini foarte adanci. Regenerarea solului se realizeaza deja incepand cu a doua jumatate a sezonului de incalzire prin radiatie solara si precipitatii mai abundente, astfel incat este necesar sa se poate asigura faptul ca pentru sezonul urmator "acumulatorul" sol este pregatit din nou pentru incalzire.

Sonde pentru sol
 Pompe de caldura - sonde de sol  Datorita suprafetelor mari de teren necesare pentru montarea colectorilor orizontali, uneori este dificila realizarea  sistemului din motive de spatiu.
   Pentru suprafete de teren mici, sondele pentru sol reprezinta o alternativa la colectorul amplasat orizontal in sol. Acestea se pot introduce la adancimi de 50 pana la 150 m.
   Sondele sunt fabricate de obicei din tuburi de polietilena si de obicei se monteaza patru tuburi paralele (sonda cu tub dublu cu profil U).
   Amestecul apa-agent de protectie la inghet curge pana la nivelul cel mai de jos prin doua tuburi si revine la vaporizatorul pompei de caldura prin celelalte doua. Astfel se preia cadura din sol, pe toata lungimea tuburilor. Spatiile dintre tuburi si sol trebuie umplute cu un material cu o conductivitate termica buna (bentonita).
   Puterea de extractie difera foarte mult, intre 20 si 100 W/m lungime de sonda.

Apa freatica
   Apa freatica este, de asemenea, un bun acumulator pentru energia solara. Chiar si in zilele mai reci de iarna are o temperatura intre 7 si 12°C.
   Insa, apa freatica nu este disponibila in cantitati suficiente si la o calitate corespunzatoare in toate zonele.
   Pentru utilizarea caldurii trebuie realizate doua puturi: unul aspirant si unul absorbant (drenant); intre acestea trebuie prevazuta o distanta de minim 5 metri, iar amplasarea trebuie aleasa astfel incat sensul de curgere a apei sa fie dinspre putul aspirant catre cel absorbant.
   Apa din lacuri si rauri este de asemenea indicata pentru utilizarea ca sursa de caldura, deoarece si acestea se comporta ca un acumulator de caldura.

Aerul
   Aerul reprezinta cea mai ieftina optiune la utilizarea ca sursa pentru o pompa de caldura.
Pompele de caldura aer - apa utilizeaza ca sursa de caldura aerul exterior, care este dirijat prin canale de aer, de catre un ventilator incorporat in aparat, catre vaporizator, care extrage caldura din aer.    

Caldura reziduala
   Dintre sursele care pot fi utilizate cu o pompa de caldura, caldura reziduala este cea mai eficienta, asigurand obtinerea celor mai ridicati parametri de performanta. Are insa dezavantajul unei disponibilitati foarte limitate.

Pompe de caldura - denumiriDenumirea unei pompe de caldura este data de mediul de lucru pe circuitul primar si secundar.
Prin circuit primar intelegem aici sursa de caldura (aer,sol,apa), iar circuitul secundar este instalatia de incalzire.
*Pompele de caldura sol-apa pot fi intalnite si sub denumirea "pompe de caldura apa sarata-apa". Aceasta denumire vine de la mediul utilizat pe circuitul primar (sursa) pentru transferul termic; pentru aceasta se utilizeaza un amestec de apa si agent antiinghet (tyfocor), denumit "brine" in limba engleza sau "sole" in limba germana.Regimul de functionare al pompelor de caldura se adapteaza sistemului de incalzire existent in cladire, in cazul cladirilor mai vechi, pentru care se fac modernizari.
In acest caz, trebuie tinut cont de temperatura maxima pe care o pot realiza pe tur pompele de caldura (intre 55 si 65°C ).
Pentru sisteme deja dimensionate peste acest nivel de temperatura pompele de caldura pot functiona numai impreuna cu un alt generator de caldura. La cladirile noi se poate alege sistemul de distributie a caldurii. In acest caz, se va alege, luand in considerare parametrii anuali de temperatura exterioara cei mai ridicati, un sistem de incalzire cu o temperatura maxima pe tur de 35°C (incalzire in pardoseala, pereti,etc).
Pompe de caldura - sursa de caldura
Din punct de vedere tehnic se pot diferentia urmatoarele regimuri de functionare:

  • Regimul de functionare monovalent - pompa de caldura trebuie sa asigure ca unic generator de caldura intregul necesar de incalzire al cladirii.
  • Regimul de functionare monoenergetic - pompa de caldura este utilizata in combinatie cu un alt sistem de incalzire care functioneaza cu energie electrica.
  • Regimul de functionare bivalent - pompa de caldura este utilizata in combinatie cu o alta sursa de caldura care functioneaza cu combustibil solid, lichid sau gazos.

Pentru evaluarea unei pompe de caldura sau a unui sistem complet cu pompa de caldura, cei mai importanti factori sunt coeficientul de performanta si factorul anual de performanta.

Coeficientul de performanta si factorul anual de performanta
Raportul dintre energia termica utilizabila si energia electrica de actionare preluata de compresor se numeste "indice de putere momentan" sau "coeficient de performanta".
Pompa de caldura - coeficient de performantaCoeficient de performanta (COP) = specificata de producator, valoare de laborator
Factorul de performanta anual (FPA) = raportul dintre caldura extrasa in cursul unui an si energia  totala consumata intr-un an
In general coeficientul de performanta creste pe masura ce diferenta de temperatura dintre sursa si sistemul de incalzire scade.
Pompe de caldura - grafic coeficient de performantaFormula empirica:

  • Cresterea cu un grad a temperaturii in circuitul de incalzire duce la scaderea COP-ului cu 2.5%
  • Cresterea cu un grad a temperaturii sursei duce la cresterea COP-ului cu 2.7%.
POMPE DE CALDURA - DENUMIRI
POMPE DE CALDURA - REGIMURI DE FUNCTIONARE
POMPE DE CALDURA - FACTORI DE PERFORMANTA