Ghid pompe de căldură – aspecte generale

POMPE DE CĂLDURĂ – INTRODUCERE

Resursele limitate de combustibili şi orientarea la nivel mondial către protecţia mediului sunt aspecte care au atras atenţia asupra posibilităţii utilizării surselor de energie regenerabilă. Astăzi, aceste pompe de căldură reprezintă echipamente de încălzire sigure, eficiente şi inovative, cu funcţionare economică din punct de vedere al consumului de energie electrică. Pompele de căldură – sunt echipamente care oferă premisele tehnice necesare pentru a folosi eficient energia solară acumulată în apele subterane, în sol sau în aer, sub formă de căldură ecologică, pentru încălzirea sau răcirea incintelor şi pentru preparare de apă caldă menajeră. Pompa de căldură obţine aproximativ trei sferturi din energia necesară din mediul înconjurător, iar pentru restul, pompa de căldură utilizează ca energie de acţionare curentul electric. Pompele de căldură moderne oferă posibilităţi tehnice efective pentru reducerea consumului de energie şi a emisiilor de CO2. La modernizarea clădirilor vechi, precum şi la clădirile noi, pompa de căldură reprezintă o bună alternativă. Acest articol tratează principiile de bază ale tehnologiei pompelor de căldură, principalele variante tehnice şi ilustrează cele mai importante aspecte ale aplicaţiilor care integrează aceste echipamente.

DE CE O POMPĂ DE CĂLDURĂ?

1. Motivaţia economică

1.1 Costuri de exploatare reduse

• în funcţie de tipul pompei de căldură, până la 3/4 din energia de încălzire se pot obţine din mediu (gratuit)
• prin intermediul unui compresor (acţionat electric) pompa de căldură creşte temperatura agentului termic preluat din mediu până la temperatura necesară în sistemul de încălzire al casei
• cu o pompă de căldură se poate utiliza tot timpul anului energia solară acumulată în mediul ambiant!

1.2 Independenţa faţă de combustibilii fosili

Sursele de energie utilizate de pompa de căldură sunt disponibile chiar la uşa noastră, total independente de disponibilitatea sau preţul combustibililor fosili.

2. Confort

Sistemul de încălzire cu pompe de căldură oferă cel mai mare grad de confort şi cea mai uşoară exploatare. Sistemul de distribuţie a căldurii utilizat în mod normal în combinaţie cu pompele de căldură (încălzire în pardoseală, pereţi, sisteme de încălzire de joasă temperatură) garantează un climat confortabil şi sănătos. Modelele de pompe de căldura reversibile (apă-apă sau sol-apă) pot asigura şi necesarul de răcire pe timp de vară. Sistemele cu pompă de căldură sunt în general foarte silenţioase, complet automatizate şi nu necesită operaţii periodice de întreţinere. Nu este nevoie de un depozit pentru combustibil, nu sunt necesare eliminarea cenusii şi curăţarea coşului de fum.

3. Siguranţă pentru viitor

Alegerea unui sistem de încălzire este o decizie pentru mulţi ani. Pompele de căldură reprezintă cea mai modernă tehnologie de încălzire disponibilă la ora actuală. Astăzi, pompele de căldura nu înlocuiesc numai sistemele de încălzire cu lemn, combustibil lichid sau cărbune, ci din ce în ce mai des şi sistemele care utilizează gaz natural. În plus, există întrebarea: ne vom putea permite costurile cu sistemul de încălzire şi peste 20 de ani? Cu fiecare creştere a preţurilor combustibilor fosili, costul încălzirii cu pompe de căldură devine mai avantajos comparativ cu încălzirea cu gaz, combustibili lichid sau peleţi. Independent de creşterea preţului energiei electrice, cu o pompă de căldură 3/4 din energia consumată este şi rămâne gratuită.

4. Funcţionare sigură

Pompele de căldură produc energie termică prin intermediul unui ciclu termodinamic, fără ardere de combustibil. Acest aspect reduce considerabil riscul de accidente! Mai mult, pompele de căldură funcţionează cu agenţi frigorifici neinflamabili.

5. Ideale atât pentru clădiri noi şi pentru reabilitarea clădirilor existente

Pompele de căldură pot fi utilizate pentru încălzirea şi răcirea clădirilor noi şi a construcţiilor cu un consum redus de energie (acolo unde majoritatea sistemelor convenţionale nu sunt disponibile sau nu sunt convenabil de implementat tehnic sau economic datorită puterilor termice mici). De asemenea, acolo unde există deja un sistem modern de încălzire care utilizează combustibili fosili şi se doreşte o reducere a costurilor, pompele de căldură pot fi utilizate ca sisteme adiţionale de încălzire (funcţionare în regim bivalent).

6. Funcţii multiple

Pompele de căldură pot furniza încălzire pe toată perioada sezonului rece, răcire pe toată durata sezonului cald (cu mici modificări) şi apă caldă menajeră pe toată 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 FUNCŢIONEAZĂ O POMPĂ DE CĂLDURĂ?

Funcţionarea unei pompe de căldură – un principiu simplu, cu rezultate exceptionale! Indiferent de tipul lor, aceste pompe de căldură pot fi privite ca echipamente care cresc temperatura unui mediu de lucru utilizând o cantitate de energie adiţională, pentru a produce energie utilă. Modul de funcţionare al unei pompe de căldură este în principiu identic cu al unui echipament pe care îl utilizăm în fiecare zi: frigiderul. Aceeaşi tehnică, numai cu utilizare inversată; în cazul frigiderului, agentul de răcire preia căldura din alimente şi o cedează mediului înconjurător. Pompa de căldura preia căldura din mediul înconjurător (sol, apă sau aer) şi o cedeaza sistemului de încălzire sub formă de energie termică. 1. Vaporizatorul – preluarea căldurii din mediul înconjurător (sol, apă, aer) În vaporizator se află un agent de lucru lichid la presiune scăzuta (agent frigorific). Acesta este o substanta care are o temperatura de fierbere redusă. Temperatura sursei (solul, apa sau aerul) este mai ridicată decât temperatura de fierbere corespunzătoare presiunii agentului frigorific. Această diferenţă de temperatură conduce la transmiterea căldurii din mediu agentului de lucru, iar acesta fierbe şi vaporizează. Căldura necesară vaporizării acestuia provine de la sursa de căldură externă (sol, apă, aer). 2. Compresorul – creşterea temperaturii Vaporii rezultaţi din agentul de lucru sunt aspiraţi continuu din vaporizator de către compresor. Agentul frigorific este comprimat până la atingerea temperaturii necesare pentru încălzire şi preparare a apei calde menajere. Procesul de comprimare este esenţial pentru eficienţa unei pompe de căldură. Pentru toată gama de pompe de căldură sunt utilizate compresoare Compliant Scroll, acestea constau în două spirale (una fixă şi una mobilă) care comprimă continuu agentul de lucru. Compresoarele Compliant sunt complet ermetice, au o durată de viaţă mult mai mare şi sunt mai silenţioase faţă de modelul cu piston utilizat în trecut la pompele de căldură. 3. Condensatorul – Transferul de căldură către instalaţia de încălzire Vaporii agentului de lucru (agent frigorific) ajung în condensatorul pompei de căldură, care este înconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai redusă decât temperatura de condensare a agentului de lucru, astfel încât vaporii se răcesc şi condensează. Energia (căldura) preluată de vaporizator plus căldura generată în timpul procesului de comprimare (în compresor) se eliberează în condensator şi se transferă agentului termic sub formă de energie utilă pentru încălzire. 4. Ventilul de expansiune – circuitul se închide Agentul de lucru este ulterior returnat în vaporizator, printr-un ventil de expansiune. Astfel, agentul de lucru trece de la presiunea ridicată a condensatorului la presiunea redusă a vaporizatorului. La intrarea în vaporizator se ating din valorile iniţiale ale presiunii şi temperaturii. Circuitul este astfel închis.

POMPE DE CĂLDURĂ – PRINCIPALELE COMPONENTE DE UNDE LUAM CĂLDURA?

Solul, apa şi aerul sunt elemente disponibile în cantităţi nelimitate pentru a fi utilizate ca sursă pentru o pompă de căldură. În fiecare caz în parte, cea mai avantajoasă sursă de energie depinde de circumstanţele locale, de locaţia clădirii şi de necesarul de căldură al acesteia. Pentru utilizarea lor practică, sursele de energie trebuie să îndeplinească câteva condiţii:

• disponibilitate în cantitate suficientă
• capacitate de acumulare cât mai mare
• nivel de temperatură cât mai ridicat
• regenerare suficientă
• captare economică

Solul

Solul are proprietatea că poate acumula şi menţine enegia solară pe o perioadă mai mare de timp, ceea ce conduce la un nivel de temperatură aproximativ constant pe durata întregului an şi astfel la o funcţionare a pompelor de căldură cu un coeficient de performanţă ridicat. Temperatura în sol se situează între 7 şi 13°C pe toată durata unui an (la o adâncime de 2 m). Căldura preluată din mediul ambiant este transmisă vaporizatorului pompei de căldură sol-apă printr-un amestec apă-agent de protecţie la îngheţ (apă sărată); punctul de îngheţ al acestei soluţii este de aproximativ -15°C. Căldura acumulată în sol se preia prin schimbătoare de căldură montate orizontal – numite şi colectori pentru sol – sau prin schimbătoare de căldura montate vertical – sonde pentru sol.

Colectori amplasaţi în sol – colectori orizontali

Preluarea căldurii din sol se face prin intermediul tuburilor din material plastic – polietilenă – montate în sol pe o suprafaţă mare. Tuburile se amplaseaza paralel, în sol, la o adâncime de 1,2 până la 1,5m şi în funcţie de diametrul tubului, la o distanţă de cca. 0,3 până la 0,7m, astfel încât pe fiecare metru pătrat de suprafaţă de captare să fie montat cca. 1,43 până la 2m de tub. Cantitatea de căldură care se poate utiliza şi prin urmare mărimea suprafeţei necesare depind foarte mult de calitatea solului. Referitor la acest aspect, mărimile determinante sunt: în primul rând cantitatea de apă din sol, cantităţile de componente minerale şi mărimea porilor umpluţi cu aer. Capacitatea de acumulare şi conductibilitatea termică sunt cu atât mai mari cu cât solul este umectat cu apa şi cu cât cantitatea de componente minerale este mai ridicată, iar numărul de pori este mai redus. Valorile puterii specifice de extracţie pentru sol se încadrează între 10 şi 35 W/m2. În cazul utilizării colectorilor orizontali, în jurul tuburilor nu trebuie sădite plante cu rădăcini foarte adânci. Regenerarea solului se realizează deja începând cu a doua jumătate a sezonului de încălzire prin radiaţie solară şi precipitaţii mai abundente, astfel încât este necesar să se poată asigura faptul că pentru sezonul următor „acumulatorul” sol este pregătit din nou pentru încălzire.

Sonde pentru sol

Datorită suprafeţelor mari de teren necesare pentru montarea colectorilor orizontali, uneori este dificilă realizarea sistemului din motive de spaţiu. Pentru suprafeţe de teren mici, sondele pentru sol reprezintă o alternativă la colectorul amplasat orizontal în sol. Acestea se pot introduce la adâncimi de 50 până la 150m. Sondele sunt fabricate de obicei din tuburi de polietilenă şi de obicei se montează patru tuburi paralele (sonda cu tub dublu cu profil U). Amestecul apă-agent de protecţie la îngheţ curge până la nivelul cel mai de jos prin două tuburi şi revine la vaporizatorul pompei de căldură prin celelalte două. Astfel se preia cadura din sol, pe toată lungimea tuburilor. Spaţiile dintre tuburi şi sol trebuie umplute cu un material cu o conductivitate termică bună (bentonită). Puterea de extracţie diferă foarte mult, între 20 şi 100 W/m lungime de sondă.

Apa freatică

Apa freatică este de asemenea un bun acumulator pentru energia solară. Chiar şi în zilele mai reci de iarnă are o temperatură între 7 şi 12°C. Însă apa freatică nu este disponibilă în cantităţi suficiente şi la o calitate corespunzătoare în toate zonele. Pentru utilizarea căldurii trebuie realizate două puţuri: unul aspirant şi unul absorbant (drenant); între acestea trebuie prevăzută o distanţă de minim 5 metri, iar amplasarea trebuie aleasa astfel încât sensul de curgere al apei să fie dinspre puţul aspirant către cel absorbant. Apa din lacuri şi râuri este de asemenea indicată pentru utilizarea ca sursă de căldură, deoarece şi acestea se comportă ca un acumulator de căldură.

Aerul

Aerul reprezintă cea mai ieftină opţiune la utilizarea ca sursă pentru o pompă de căldură. Pompele de căldură aer – apă utilizează ca sursă de căldură aerul exterior, care este dirijat prin canale de aer, de către un ventilator încorporat în aparat, către vaporizator, care extrage căldura din aer.

Căldura reziduală

Dintre sursele care pot fi utilizate cu o pompa de căldură, căldura reziduală este cea mai eficientă, asigurând obţinerea celor mai ridicaţi parametri de performanţă. Are însă dezavantajul unei disponibilităţi foarte limitate. Denumirea unei pompe de căldură este dată de mediul de lucru pe circuitul primar şi secundar. Prin circuit primar înţelegem aici sursa de căldură (aer, sol, apă), iar circuitul secundar este instalaţia de încălzire. *Pompele de căldură sol-apă pot fi întâlnite şi sub denumirea „pompe de căldură apă sărată-apă”. Această denumire vine de la mediul utilizat pe circuitul primar (sursa) pentru transferul termic; pentru aceasta se utilizează un amestec de apă şi agent antiîngheţ (tyfocor), denumit „brine” în limba engleză sau „sole” în limba germană. Regimul de funcţionare al pompelor de căldură se adaptează sistemului de încălzire existent în clădire, în cazul clădirilor mai vechi, pentru care se fac modernizări. În acest caz, trebuie ţinut cont de temperatura maximă pe care o pot realiza pe tur pompele de căldură (între 55 şi 65°C ). Pentru sisteme deja dimensionate peste acest nivel de temperatură pompele de căldură pot funcţiona numai împreună cu un alt generator de căldură. La clădirile noi se poate alege sistemul de distribuţie a căldurii. În acest caz, se va alege, luând în considerare parametrii anuali de temperatură exterioară cei mai ridicaţi, un sistem de încălzire cu o temperatură maximă pe tur de 35°C (încălzire în pardoseală, pereţi, etc.).

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

• Regimul de funcţionare monovalent – pompa de căldură trebuie să asigure ca unic generator de căldură întregul necesar de încălzire al clădirii
• Regimul de funcţionare monoenergetic – pompa de căldură este utilizată în combinaţie cu un alt sistem de încălzire care funcţionează cu energie electrică
• Regimul de funcţionare bivalent – pompa de căldură este utilizată în combinaţie cu o altă sursă de căldură care funcţionează cu combustibil solid, lichid sau gazos.

Pentru evaluarea unei pompe de căldură sau a unui sistem complet cu pompă de căldură, cei mai importanţi factori sunt coeficientul de performanţă şi factorul anual de performanţă.

Coeficientul de performanţă şi factorul anual de performanţă

Raportul dintre energia termică utilizabilă şi energia electrică de acţionare preluată de compresor se numeşte „indice de putere momentan” sau „coeficient de performanţă”. Coeficient de performanţă (COP) = specificată de producător, valoare de laborator Factorul de performanţă anual (FPA) = raportul dintre căldură extrasă în cursul unui an şi energia totală consumată într-un an În general coeficientul de performanţă creşte pe măsură ce diferenţa de temperatură dintre sursă şi sistemul de încălzire scade. Formula empirică:

• Creşterea cu un grad a temperaturii în circuitul de încălzire duce la scăderea COP-ului cu 2,5%
• Creşterea cu un grad a temperaturii sursei duce la creşterea COP-ului cu 2,7%.