Totul despre pompa de căldură

Pompa de căldură datează de la începutul sec. XX, odată cu inventarea frigiderului.

La baza funcţionării pompei de căldură concurează o serie de fenomene şi legi ale fizicii: Principiul al II-lea al termodinamicii: „Căldura nu poate trece niciodată de la sine de la un corp cu temperatură mai joasă la unul cu temperatura mai înaltă” (enunţul lui Clausius), precum şi descoperirea fizicianului Watt: un gaz comprimat degajă căldură şi invers, unul destins – absoarbe căldură.

De ce ne intereseză pompa de căldură?

În căutarea permanentă a celor mai bune soluţii de generare a energiei, analizăm în acest articol pompa de căldură în toate variantele ei.

Toate străduinţele specialiştilor de a găsi resurse termice nepoluante sau măcar care poluează în mică măsură şi trecerea către utilizarea lor în masă, pentru încălzirea locuinţelor, au atras atenţia către implementarea transferului de căldură şi la apariţia din ce în ce mai celebrei pompe de căldură. Pompa de căldură este, datorită eficienţei sale precum şi utilizării unor resurse mai puţin poluante decât alte sisteme de încălzire sau răcire, una din soluţiile preferate ca sistem alternativ de instalaţii pentru proiecte, case sau clădiri cu consum aproape egal cu zero, iar în funcţie de situaţia amplasamentului este folosită la casa activă.

Ce este pompa de căldură?

În câteva cuvinte putem spune că pompa de căldură atrage şi transferă căldură din una din sursele pentru care este proiectată (fie că vorbim de pământ, de apă sau de aer) şi cu ajutorul unui compresor, exact pe principiul frigiderului, ridică temperatura unui agent frigorific cu punctul de fierbere foarte scăzut (undeva la aproximativ -2°C), transferând temperatura agentului termic care circulă prin instalaţia de încălzire indiferent de sistem la corpurile statice utilizate (calorifere, pardoseală, ventilaţie, etc.). Pompa de căldură se caracterizează foarte simplu prin modul de funcţionare foarte apropiat de cel al frigiderelor cu compresor: un gaz comprimat degajă căldură şi în sens invers, unul destins, absoarbe căldură.

Cum funcţionează pompa de căldură

Pompa de căldură are nevoie de o sursă permanentă de energie electrică. Este obligatorie conectarea la o sursă permanentă, dacă este posibil la reţeaua publică, dacă nu, preferabil, datorită consumului mic, la un sistem de panouri solare fotovoltaice sau, de ce nu, la turbine eoliene, sisteme alterative, etc. Sursa electrică va alimenta compresorul care comprimă agentul de răcire, pentru a atinge temperatura folosită la încălzirea şi prepararea apei calde menajere. Când vaporii agentului de răcire vor ajunge în condensatorul din pompa de căldură, acesta va fi înconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai scăzută decât temperatura agentului de răcire, în stare de vapori, aşa că vaporii se vor răci şi vor condensa. în momentul acesta, căldura este preluată de vaporizator, inclusiv căldura generată în timpul procesului de comprimare, cantitate considerabilă care se eliberează în condensator şi se transferă agentului termic sub formă de energie utilă pentru încălzire. Agentul de transfer este întors mai apoi în vaporizator utilizând de cele mai multe ori un ventil de expansiune. Agentul de răcire trece astfel de la presiunea crescută a condensatorului la presiunea redusă a vaporizatorului. Odată cu intrarea în vaporizator, aici se ating iar valori regăsite la începutul procesului, iar circuitul se închide.

Frigiderele, la fel ca şi aparatele de climatizare, sunt exemple clasice de pompe de căldură deja existente în gospodării şi care funcţionează numai în modul de răcire. Un frigider este în realitate doar o cutie bine izolată din punct de vedere termic şi cu un sistem de pompă de căldură conectată la aceasta. Bobina vaporizatorului este amplasată în interior şi de obicei se găseşte în compartimentul folosit pentru congelare. Căldura este absorbită din congelator şi trimisă în exterior, de obicei în spatele sau sub unitatea unde este localizată bobina condensatorului. În mod aproape similar funcţionează şi un aparat de aer condiţionat care transferă căldura din interiorul unei case spre exterior. Avem aşadar de ceva timp sistemul de la pompă de căldură în casele noastre, doar că nu a fost folosit în ambele sensuri.

Pompa de căldură poate fi utilizată fără existenţa sau suportul altor surse de căldură.

După criteriul funcţionării întâlnim pompe de căldură cu regim

• Monovalent: pompa de căldură este singura sursă de încălzire – utilizează pentru funcţionarea compresorului energia electrică de la reţeaua publică sau de la alte surs
• Bivalent – paralel: se poate monta şi folosi în paralel cu pompa de căldură şi o altă sursă de căldură; când sursa de căldură paralelă este energia electrică, sistemul se numeste bivalent – paralel monoenergetic
• Bivalent – alternativ: pompa de căldură funcţionează alternativ cu o altă sursă de căldură;
• Bivalent – parţial – paralel: pompa de căldură funcţionează în paralel sau alternativ cu o altă sursă de căldură.

Pompa de căldură are un ciclu complet reversibil şi poate asigura controlul asupra mediului interior pentru încălzirea în timpul iernii şi răcirea sau dezumidificarea, dacă este necesară, în timpul verii. Din moment ce pământul sau aerul din exterior conţine întotdeauna căldură, de ce să nu utilizăm o pompă de căldură pentru a încălzi şi răci casa? Unul din principiile folosite la pompa de căldură este că aerul la temperatura de -18°C are în compoziţie aproximativ 85% din energia pe care o conţine la 21°C.

Care sunt tipurile de pompe de căldură

Există două tipuri principale de pompă de căldură, denumite în funcţie de sistemul utilizat

• Pompă de căldură cu compresie, care funcţionează întotdeauna folosind energia mecanică prin energie electrică
• Pompă de căldură cu absorbție care poate rula şi pe căldură ca sursă de energie (prin intermediul energiei electrice sau a combustibililor).

O serie de surse au fost folosite ca surse de căldură pentru încălzire.

Pompa de căldură pe sursă de aer (extrage căldura din aerul exterior)

• pompa de căldura aer-aer (transferă energia termică a aerului din interior)
• pompa de căldură aer-apă (transferă energie termică unui rezervor de apă)

Pompa de căldură geotermală (extrage căldură din sol sau din surse similare)

• pompa de căldură geotermală-aer (transferă energia termică către aerul din interior)
• pompa de căldură sol-aer (solul este sursă de căldură)
• pompa de căldură rocă-aer (roca este sursă de căldură)
• pompa de căldură apă-aer (apa ca sursă de căldură)

Pompa de căldură geotermală-apă (transferă căldura unui rezervor de apă)

• pompa de căldură sol-apă (solul este sursa de căldură)
• pompa de căldură rocă-apă (roca este sursa de căldură)
• pompa de căldură apă-apă (corp de apă ca sursă de căldură)

Pompele de căldură Sol-Apă

Soluţia de tip antigel denumita glicol, circulă prin circuitul de ţevi îngropate în sol al sursei de căldură şi preia căldura pământului prin intermediul unui schimbător de căldură orizontal sau vertical. Această căldură este tranferată sistemului de încălzire al locuintei, cu ajutorul unui compresor şi transportată la condensator. În condensator apa sistemului de transfer de căldură încorporează căldura absorbită în vaporizator şi este alimentată cu energie la compresor.

În funcţie de modul în care sunt amplasate captatoarele, distingem mai multe feluri de pompe de căldură cu captatoare:

• plane: acestea au sistemul de captatoare în diverse forme (U sau spirale) îngropate la o adâncime medie de 1-2m. Este un sistem economic de mare eficienţă, dar nu poate fi îngropat în orice sol şi are nevoie de o întindere aproape dublă faţă de aria locuibilă.
• de adâncime: acestea au în componenţă sonde montate la adâncime de 50-100m şi au o eficienţă foarte ridicată. Costurile de momntaj sunt semnificative datorită forajelor care au preţuri variabile între 100-300 lei / metru. Sunt utilizabile doar dacă solul o permite.
• cu vaporizare directă: au un circuit special de captare în plus faţă de cele plane şi din acest motiv sunt mai eficiente sau pot ocupa spaţii mai reduse.

Pompele de căldură Apă-Apă

Căldura din apa subterană pompată sau din apele de suprafaţă este utilizată la transferul de căldură, transportată prin compresor către condensator. Odată ajunsă acolo se utilizeză sistemul pompelor de cădură Sol-Apă. Acestea sunt cele mai eficiente folosind cădura din surse geotermale cu temperaturi de peste 8 grade Celsius, dar şi cele mai dificil de utilizat atât datorită disponibilităţii resursei dar şi din cauza reglementărilor legale de fosire a acesteia. Pompa de căldură apă-apă are un rol deosebit de important în industrie sau în exploatarea la maximum a izvoarelor geotermale. Apele reziduale sau apele geotermale cu temp. maxime de 28-30ºC pot fi cu succes valorificate. În cazul apelor geotermale izvorul poate fi multiplicat prin folosirea în cascadă a mai multor PDC. Evident se va ţine cont de calitatea apei, acest impediment putând fi evitat prin folosirea unor schimbătoare de căldură adecvate (anticorosive).

Pompa de căldură apă-apă poate fi utilizată şi prin exploatarea apei din lacuri, fluvii, ape de tunel, baraje (care au temperaturi >8ºC). Sistemul apă-apă este numit şi sistem de captare cu buclă deschisă. Viteza de curgere a apei prin vaporizator nu trebuie să depăşeasca 0,8m/s. Acest tip de pompă de căldură poate realiza cel mai ridicat COP dintre toate tipurile la care ne referim. Un astfel de sistem apă-apă poate ajunge uşor la un COP=5 şi chiar îl poate depăşi dacă este bine realizat şi corect dimensionat. De asemenea poate furniza puteri impresionante ajungând la mii de kW, pe o singură unitate sau cuplând mai multe unităţi de putere mai mică. Cu toate acestea, până la ora actuală, cel puţin în Europa, nu este cea mai răspândită pompă de căldură. Motivele sunt mai multe: calitatea apei trebuie sa îndeplinească practic calitatea apei potabile; apa extrasa din straturile freatice trebuie reinjectată în sol (puţul de injectie trebuie să fie amplasat la min.15m în aval faţă de direcţia de curgere a apei în pânza freatică) pentru fiecare kW termic instalat este necesar un volum minim de apă de 160litri/oră, adică 0,16mc/oră (la min 8ºC), debitul trebuind asigurat în orice moment de puţul de extractie; în UE există reglementări foarte stricte privind acest gen de foraje.

Pompele de căldură Aer-Apă

Căldura din aerul exterior, furnizat cu un ventilator sau aerul din sistemul de venţilatie, este transportat prin vaporizator către mediul de transfer de căldură şi apoi prin compresor la condensator. Acest sistem de transfer de căldură este alcătuit dintr-un circuit lichid, utilizat pentru încălzirea locuinţei şi / sau pentru producerea apei calde menajere. Aceste sisteme sunt puţin eficiente, în varianata lor actuală pompele de căldură apă-apă au cel mai mic raport de eficienţă, astfel că şi costul este mai redus. Aceste pompe nu pot funcţiona monovalent la temperaturi sub 15 grade Celsius.

Pompele de căldură Aer-Aer

Căldura din aerul exterior furnizat cu un ventilator sau aerul din sistemul de ventilaţie este livrat prin vaporizator către mediul de transfer de căldură şi transportată prin compresor la condensator. Sistemul de transfer de căldură este compus dintr-un sistem de conducte de aer sau din aparate specifice utilizate pentru încălzirea clădirii. Ele sunt folosite în cazuri rare, la sistemele de încălzire, datorită eficienţei scăzute a agentului termic aerul (sistemele cunoscute sub denumirea generică de „aer condiţionat” sunt de fapt pompe de căldură aer-aer, iar COP-ul lor este sub 3).

Pompele de căldură cu schimbătoare Ultraflex

La sistemul Ultraflex nu mai există un schimbător intermediar aşa cum este întâlnit la majoritatea pompelor de căldură de pe piaţă, motiv pentru care, sistemul are un COP foarte ridicat în comparaţie cu restul pompelor de căldură, fiabilitate mult mărită şi termene de exploatare şi garanţie foarte extinse, iar preţul lor de achiziţie este foarte atractiv. Are însă o variaţie de putere extrem de largă (astfel de sisteme în momentul actual nu sunt limitate din punct de vedere al puterilor şi oferă performanţe fără egal).

• mărimea obiectivului ce urmează a fi încălzit (suprafaţa locuibilă şi încălzită, înălţimea medie a încăperilor). Spaţiul disponibil (neconstruit) din jurul obiectivului;
• zona geografică în care se află obiectivul;
• posibilităţile de instalare a altor sisteme de încălzire (gaze, combustibil lichid, gaz lichefiat, etc.);
• posibilităţile de la faţa locului de valorificare a „sursei reci” (apă, aer, sol);
• existenţa altor surse de încălzire (pentru stabilirea regimului de funcţionare al pompei de căldură);
• condiţiile de alimentare cu energie electrică (reţea mono- sau trifazată, puterea electrică maximă permisă pe racordul electric).

Cât costă pompa de căldură?

Fără dubii costul utilizării unui sistem de încălzire cu pompă de căldură este de departe semnificativ mai redus faţă de cel al unui sistem de încălzire clasic. Diferenţa vine de la un consum de 1kw putere electrică la pompa de căldură se transformă sau poate produce 3 – 5 kw în putere termică. Un raport foarte bun comparativ cu alte soluţii clasice. Performanţa energetică observată la pompa de căldură este dată de COP şi este definit ca raportul dintre cantitatea de căldură eliminată la condensator şi energia electrică consumată de compresor. Din punct de vedere al protecţiei mediului, în comparaţie cu pompa de căldură dar şi considerând confortul în utilizare, putem spune că nu sunt deloc neglijabile reziduurile rămase la încălzirea cu combustibili solizi şi nici perspectiva creşterii preţului lor constantă şi previzionată a gazelor naturale, a combustibililor lichizi sau a energiei electrice.

În diverse programe de încurajare a consumului responsabil precum „Casa Verde”, proprietarii care şi-au echipat locuinţele cu un sistem bazat pe pompa de căldură au putut beneficia de o finanţare din partea statului, ultima dată aceasta a fost de 8000 lei. Au fost eligibile pentru decontare şi cheltuielile cu montajul sau punerea în funcţiune a sistemului, dar şi taxa pe valoare adăugată, TVA-ul acestor cheltuieli.

Preţul pompei de căldură de tip Sol-Aer variază între 2400 de euro pentru o putere de aproximativ 7,5 Kw şi poate ajunge la 12.000 de euro pentru cele de aproximtiv 50Kw. Se poate considera un preţ de aproximativ 280 de euro / Kw în funcţie de necesar şi suprafaţa care se doreşte a fi încălzită.

Preţul pompei de căldură Apă-Apă este mediu comparativ cu celelate pompe de căldură şi este cuprins între 1900 euro pentru cele mici de 6 Kw şi pot sjunge la 15.000 de euro pentru cele de 50 Kw. Se poate considera un preţ de aproximativ 260 de euro / Kw în funcţie de necesar şi suprafaţa care se doreşte a fi încălzită.

Preţul pompei de căldură aer-apă este cel mai mic comparativ cu celelate sisteme ale pompelor de căldură şi variază între 2100 de euro / 6 Kw şi poate ajunge la 9000 de euro pentru 35 Kw. Se poate considera un preţ de aproximativ 240 de euro / Kw în funcţie de necesar şi suprafaţa care se doreşte a fi încălzită.

Alte observaţii importante

Conform normelor europene, calculul sarcinii termice necesare se raporteză la metrul pătrat de suprafaţă, [W/mp], luându-se în calcul înălţimea maximă a încăperii H=3m (înălţime tipică majorităţii încăperilor – în cazuri atipice se vor face corecţiile necesare).

De exemplu dacă o clădire are un necesar termic de 50W/mp şi o suprafaţă locuibilă necesară a fi încălzită de 350mp (H=3m) puterea termică a centralei termice (indiferent de tipul ei) va fi de 250mpx50W/mp = 12500W=12.5kW. (Înălţimea se specifică doar în cazurile atipice).

Dimensionarea corectă a unei pompe este esenţială pentru durata ei de serviciu . O pompă de căldură supradimensionată, pe lângă faptul că e mai scumpă, are un regim incorect de funcţionare cu porniri şi opriri mai dese. O pompă de căldură subdimensionată, funcţionează mai mult şi cu pauze mici. Totuşi, este preferabil, dacă nu există alternativă, să se subdimensioneze pompa (în anumite limite) decât să se supradimensioneze.

Pentru o casă de 200 mp suprafaţă utilă, unde este suficientă o pompă de căldură sol – aer de 8 – 10 Kw, costul total este de circa 60.000 lei şi diferă în funcţie de marca aleasă.

Datorită preţului relativ ridicat al pompelor de căldură, este neeconomic să fie încălzite spaţii prost izolate care solicită puteri termice ridicate. Este preferabilă izolarea clădirii decât mărirea puterii sursei de încălzire. La stabilirea puterii unei pompe de căldură reversibile se ţine seama de puterea de răcire (EER). Puterea de răcire este întodeauna mai mare decât puterea de încălzire.

Spre exemplu normele DIN 4701 referitoare la condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească clădirile încălzite din Germania sunt, in evoluţia lor:

• 45-60 W/mp construcţii noi (reglementare din 2002)
• 50-60 W/mp construcţii noi (reglementare din 1995)
• 70-90 W/mp construcţii realizate înainte de 1995
• 120 W/mp construcţii vechi realizate fără nici un fel de reglementări

În cazul unei clădiri cu izolaţie termică foarte slabă investiţia într-o pompă de căldură nu este rentabilă.

Boilere cu pompă de căldură

În plus faţă de cele precizate anterior în acest articol, credem că este important de tratat separat boilerele cu pompă de căldură datorită potenţialului larg de acoperire pe care îl oferă. Acestea funcţionează pe principiul pompelor de căldură aer – aer, apa încălzită fiind stocată într-un boiler ce face corp comun cu pompa de căldură. Pompa de căldură aer – aer are performanţa maximă atunci când temperatura ambientală este peste 15 grade Celsius, dar poate funcţiona şi la temperaturi de -5 grade Celsius. Dacă se alege corect locul în care se montează boilerul cu pompa de căldură, într-o camera în care mai există o centrală termică sau alte echipamente ce generează căldură, de la frigider până la servere, etc, se poate asigura funcţionarea optimă a acestor boilere cu pompe de căldură, de-a lungul iernii, cu costuri reduse. Boilerele sunt echipate şi cu rezistenţe electrice pentru situaţiile în care este necesară o încălzire rapidă a apei. O altă opţiune utilă ţine de faptul că fluxul de aer refulat poate fi utilizat pentru scăderea umidităţii aerului sau pentru răcirea cu câteva grade a încăperii în care este instalat boilerul cu pompa de căldură.

Surse utilizate pentru acest articol

Remus Răduleț și colab. Lexiconul Tehnic Român, București: Editura Tehnică, 1957-1966.
The Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, 2004
Fundamentals of Engineering Thermodynamics, de Howell and Buckius, McGraw-Hill, New York
Pompa de căldură – detalii complete

CONTACT – ROMÂNIA

Str. Zorelelor, Nr. 5, cod poştal – 410583, Oradea, Bihor, ROMANIA, tel.0757010000

CONTACT – AMERICA DE NORD

TERMOCASA CORPORATION LTD
16113 WINDHAM ROAD, CALIFORNIA 92503 USA, TEL: 001 951 785 1085 E-mail: office@termocasa.ro