Post on 16-Apr-2015
description
transcript
1. Introducere
Foarte mulţi ani lumea întreagă a utilizat energia ca şi cum a dispus de mai multă
de câtă avea nevoie. Oamenii de ştiinţă au simţit însă nevoia de a căuta noi surse de
energie, căi de a obţine o energie mai ieftină sau căi de a o utiliza în aşa fel încât să
uşureze şi să facă mai plăcută munca în orice domeniu de activitate.
În ultimul secol a crescut nu numai consumul de energie pe locuitor in întreaga
lume, ci şi numărul de locuitori care utilizează energia sub diferite forme.
Consumul de energie a crescut anual şi in felul acesta ne vom găsi foarte curând
în situaţia de a epuiza sursele clasice de energie şi de aceea trebuie încă de acum depuse
eforturi pentru conservarea energiei. Acest lucru este necesar pentru a avea timp să
dezvoltam noile surse de energie cum ar fi : energia geotermică , energia eoliană , energia
mareelor, energia solară, etc. Este necesară de asemenea, dezvoltarea noilor tehnologii
energetice care se referă la soluţiile tehnice neconvenţionale de conversie, stocare,
transport, utilizare si recuperare a energiei .
Scopul urmărit prin conservarea energiei este realizarea dezvoltării economice si
sociale , cu un consum minim total de energie. Principalele direcţii în care trebuie sa
acţioneze conservarea energiei sunt următoarele :
- “ a consuma mai puţin “ , prin schimbări în structura consumului;
- “ a consuma mai eficient “ , prin îmbunătăţirea randamentelor de utilizare a
energiei ;
- “ a consuma altceva “ , prin substituirea unor resurse energetice preţioase , mai
puţin abundente , cum ar fi petrolul sau gazele naturale , cu resurse energetice noi ,
inepuizabile.
Acest lucru poate fi obţinut si prin utilizarea unor metode cunoscute , ca
îmbunătăţirea izolaţiei construcţiilor , extinderea termoficării si a utilizării pompelor de
căldură.
1
Cu toate că aceste direcţii reprezintă un pas spre definirea corectă a noţiunii de
conservare a energiei , sunt totuşi insuficiente.
De exemplu , “a consuma altceva “ nu înseamnă a înlocui consumul de petrol sau
gaze naturale cu combustibili sintetici a căror producere necesita un consum mare de
energie.
A folosi , de asemenea , încălzirea electrica fără a extinde termoficarea sau
pompele de căldură , reprezintă o soluţie mai puţin eficienta de utilizare a energiei .
Este cunoscut faptul că circa 50% din consumul actual de energie este datorat
proceselor de joasă temperatură , cum ar fi procesele de încălzire, procesele industriale de
uscare, distilare etc. , care au randament de utilizare a energiei foarte scăzut.
Procesele de încălzire sunt desigur cele mai dezavantajoase dintre toate procesele
termodinamice . Teoretic , energia consumată pentru încălzirea unei incinte poate fi
redusă oricât de mult prin măsuri de izolare termica si recuperare a căldurii dar , practic
acest lucru nu este posibil in totalitate.
Trebuie spus de la început că pompa de căldură nu reprezintă o noutate. Este
foarte adevărat faptul ca principiul acesteia este cunoscut
de aproape 130 de ani si că s-a vorbit despre ea multor generaţii de studenţi dar , numai
de curând, datorită schimbărilor intervenite în balanţa energetică a omenirii , aceasta a
revenit în centrul atenţiei publice. În ultimii ani au fost obţinute progrese remarcabile în
acest domeniu si cred că este interesant să aruncăm o privire asupra diferitelor posibilităţi
de utilizare a pompei de căldură , aşa cum se prezintă ea astăzi .
Pompele de căldură sunt utilaje moderne care se utilizează în ultimul timp ca o
alternativă la centralele termice pe hidrocarburi, având însă o eficienţă cu 50-80% mai
mare.
Ele sunt utilaje mecanice acţionate electric şi oferă posibilităţi tehnice de
economisire a energiei, în consecinţă şi cu îmbunătăţirea protecţiei mediului înconjurător,
prin reducerea emisiilor de noxe (CO2,NO), folosind aproximativ 75% din energia
necesară pentru încălzire (climatizare) din mediul exterior, iar pentru restul, utilizează
energia electrică.
2
2. Principiul pompei de caldura
Pentru a transmite caldura de la o sursa de joasa temperatura (sursa rece ) catre un
mediu in care temperatura este mai ridicata (sursa calda ) este sa se consume o anumita
cantitate de energie .
Aceasta necessitate , constatata experimental , a fost considerate drept al doilea
principiu al termodinamicii , formulat cu multi ani in urma de Clausius .
Pompele de caldura sunt sisteme care permit realizarea unui astfel de transfer de
caldura , de la sursa rece catre sursa calda , termenul de pompa de caldura sugerand o
analogie cu o pompa hidraulica ce deplaseaza un fluid de jos in sus .
Fenomenul utilizat in acest scop se bazeaza pe faptul ca un fluid care se afla la o
presiune ridicata se evapora la o temperatura mai mare decat un fluid care se gaseste la o
presiune coborata .
3
In figura 1 sunt prezentate doua camere conectate printr-un tub tub in care se poate
deplasa , ca un piston , un vas cu apa , de la stanga la dreapta si invers , cu pastrarea
etansietatii intre cele doua camere. Camera din stanga se gaseste la presiunea atmosferica
iar cea din dreapta la o presiune mai mica(vid partial). Daca se da o cantitate de caldura
apei din vas in camera din dreapta , apa se va evapora inainte de a ajunge la temperatura
de 100˚C (presiunea fiind mai coborata decat presiunea atmosferica ).
In momentul in care vasul continand vapori se deplaseaza in camera din stanga ,
vaporii vor condensa instantaneu , intrucat aici presiunea este mai ridicata. In acest
moment , prin condensare se cedeaza o cantitate de caldura care reprezinta o mare parte
din caldura preluata in camera din dreapa. Nu va fi regasita niciodata intreaga cantitate de
caldura primita , intrucat o anumita energie trebuia consumata pentru a deplasa vasul
dintr-o camera in alta.
Pompa de caldura realizeaza transferul unei anumite cantitati de caldura dintr-un
mediu unde aceasta este disponibila gratuit sau foarte ieftina , dar la o temperatura prea
coborata pentru a permite utilizarea ei directa , intr-un alt mediu cu o temperatura mai
ridicata. Pentru a realiza acest transport de caldura este necesara o anumita energie
mecanica , utilizata de obicei in scopul comprimarii agentului de lucru .
4
Daca definim un sistem termodinamic , evoluand ciclic , adica trecand in
permanenta prin acelasi stari, reprentarea acestuia intr-o diagrama oarecare si in special
intr-o diagrama temperatura – entropie (T – s) , va fi o curba inchisa (figura 2 ).
Se poate constata ca in cursul desfasurarii ciclului termodinamic au loc
urmatoarele procese :
a) sistemul primeste caldura din exterior in lungul arcului ACB la o temperatura
medie To ;
b) sistemul primeste o anumita cantitate de lucru mecanic ;
c) sistemul restituie caldura in lungul arcului ADB la o temperatura medie T1,
superioara celei la care el a primit caldura .
Acesta este principiul ciclului unei pompe de caldura .
Daca un astfel de ciclu este utilizat pentru producerea caldurii , sistemul fizic ce il
realizeaza poarta numele de pompa de caldura; daca cilcul serveste producerii de frig ,
sistemul va purta numele de masina frigorifica .
Singura diferenta intre cele doua sisteme provine din fixarea temperaturilor T1 si
To , care dicteaza si alegerea fluidului de lucru al agregatului .
“Pomparea“ caldurii a devenit posibila in momentul in care JOULE a demonstrat
ca un gaz comprimat se incalzeste.
Fundamentarea acestei posibilitati a fost data de LORD KELVIN in anul 1852 ,
care a sugerat ca daca se cupleaza doua schimbatoare de caldura prin intermediul unui
compresor , pe deoparte , si a unui ventil de laminare pe de alta parte , ar fi posibil sa se
incalzeasca sau sa fie racita o incinta .
Primele pompe de caldura , utilizand aerul ca fluid de lucru , au fost utilizate
pentru conservarea alimentelor pe vechile vapoare Clipper , inlocuind cu success gheata.
Desoperirea de catre Davy – Faraday a posibilitatii de lichefiere a gazelor , a
facut posibila cresterea eficientei pompelor de caldura. Utilizarea schimbarii de volum si
a caldurii latente , la schimbarea starii de agregare lichid – gaz a redus necesarul de
putere al compresoarelor. In jurul anului 1920, aceste agregate au cunoscut o dezvoltare
spectaculoasa, fiind comercializate ca frigidere. Au urmat apoi perfectionari in domeniul
compresoarelor,acestea ajungand foarte curand sa aiba randamente intre 40 si 60%.
5
Producerea de agenti de lucru pe baza de halogeni , in jurul anului 1950, a
schimbat considerabil domeniul de aplicare al pompelor de caldura , permitand obtinerea
unor gradienti de temperatura ridicati.
Producerea de noi agenti de lucru este inca in atentia cercetatorilor pentru a obtine
temperaturi de condensare cat mai ridicate.
3. Surse de caldura
Din scurta privire generala se desprind cateva câteva cerinţe ce trebuie îndeplinite
pentru a a putea obtine si o functionare economica a pompelor de caldura si anume:
- diferenţa dintre temperatura necesara la consumator şi cea a sursei sa fie cat
mai mica
- posibilitatea ca sursa de căldura să aibă o temperatură cât mai ridicată.
Pentru aceasta, condiţiile ce trebuie îndeplinite de sursele de căldura sunt multiple:
- să asigure posibilitatea livrării în orice moment la temperaturi cât mai mari, a
cantităţii de căldura solicitată.
- Să nu necesite cheltuieli mari pentru amenajare; literatura de specialitate
specifică o valoare limită de 10-15% din cheltuielile totale ale instalaţiei de
alimentare cu căldură;
- Să fie cât mai consumul de energie pentru transportul căldurii la pompe
ventilatoare, pentru a avea cheltuieli de exploatare cât mai scăzute
- Agentul de transport al căldurii trebuie să nu aibă acţiune agresivă chimică sau
fizică asupra schimbătoarelor de căldură sau să le influenţeze negativ
funcţionarea (coroziune, murdărire, îngheţare)
- Să fie cât mai pretabile pentru producţia de serie (tipizare) respectiv, să fie
accesibile în spaţiu şi timp nu numai în anumite zone geografice, climatice,
geologice sau industriale pentru cazul surselor deşeu.
În orice caz, în primul eşalon apar toate formele de căldura deşeu ca: apele de
răcire sau uzate din industrie, aerul viciat de la încălzirea spaţiala, apele de canalizare şi
nu in ultimul rând sursele geotermice. La limită pot fi utilizate şi sursele naturale ca apele
6
freatice sau de suprafaşă, în afara perioadelor când există pericolul de ingheţ sau căldura
solului care pune însă probleme de cunoaştere a caracteristicilor lui, cât şi de realizare a
instalaţiei.
Având in vedere varietatea consumatorilor de căldură, s-a dezvoltat şi o gama
corespunzătoare de sisteme de alimentare cu căldură. Astfel, în ţările vestice, majoritatea
consumatorilor de căldură sunt reprezentaţi de case unifamiliare alimentate cu căldură
individual, prin rezistenţe electrice sau centrale termice perfecţionate funcţionând pe
combustibili clasici. Pentru clădirile sociale mari, în special cele din sector terţiar (clădiri
administrative, bănci, complexe sportive, şcoli, cantine) se livrează căldura prin sistemul
de alimentare cu aer din centrale termice.
În ţările estice s-au dezvoltat sistemele centralizate de alimentare cu căldură din
centrale termice şi, în special, de la centrale electrice de termoficare.
.Sursele de căldură se impart în două mari secţiuni:
-surse de căldură naturale, dependente mai mult sau mai puţin de temperatura
exterioară
- surse de căldură deşeu, provenite din diferite procese industriale.
3.1 Surse de caldură naturale
Aceste surse de folosesc la alimentarea cu căldură pentru prepararea apei calde de
consum şi încălzirea locuinţelor individuale sau a grupurilor mici de locuinţe. Ca surse de
căldură disponibile se pot menţiona:
- aerul exterior sau cel uzat
- apa freatică, de suprafaţă, din reţele de apă orăşenească, din surse
hidrogeotermice, uzată
- solul
- radiaţia solară
În afara aerului uzat şi apei uzate, toate acestea sunt considerate surse naturale de
căldură.
7
3.1.1 Aerul
Din punct de vedere al disponibilităţii în timp şi spaţiu, aerul constituie o sursă de
căldură favorabilă.
Pentru dimensionarea optimă a unei pompe de căldură de tip aer-aer este foarte
important sa se cunoasca variatia anuala a temperaturii exterioare pentru zona
amplasamentului, precum si continutul sau de caldura.
Un dezavantaj important al pompelor de caldura care utilizeaza ca sursa de
caldura aerul exterior este stransa dependenta a sarcinii termice de pemperatura de
vaporizare. De aceea, la scaderea temperaturii exterioare necesarul de caldura creste si,
deci creste si inaltimea de pompare, influentand negativ coeficientul de performanta.
Un alt dezavantaj al aerului exterior ca sursa de caldura este brumarea (givrarea)
vaporizatorului. Continutul de umiditate al aerului creste cu temperatura si prin racire,
conduce datorita formarii de condensat pe suprafata vaporizatorului la o imbunatatire a
schimbului de caldura cu 50-100%, functie de aceste continut de umiditate. Atat timp cat
temperatura suprafetei vaporizatorului este pozitiva, aceasta umiditate ramane in stare
lichida, aluneca pe suprafata vaporizatorului si se elimina. O consecinta negativa este ca
aceasta pelicula de apa mareste rezistenta de trecere a aerului prin vaporizator.. La
coborarea temperaturii exterioare la valori negative se formeaza bruma a carei grosime
creste continuu, stricand, pe de o parte, schimbul de caldura si, pe de alta parte, marind
mult rezistenta de trecere a aerului prin vaporizator. Functionarea indelungata in astfel de
conditii poate sa conduca la acoperirea totala cu bruma a vaporizatorului si, respectiv, la
imposibilatea functionarii pompei de caldura.
Avantujului ecartului mic de temperatura consta in faptul ca pana la
temperaturii are aerului exterior de 4-5º C nu apare pericolul de brumare. Sub aceste
teperaturii, pericolul de brumare nu mai poate fi evitat si intervalul pana la -7º C in care
umiditatea absoluta a aerului este mare reprezinta domeniul critic de functionare, cand de
obicei poate apare ceata, zapada, inghet sau alte precipitatii ce pot sa inghete natural pe
vaporizator si sa il obtureze. In aceste conditii cantitatii de bruma si gheta ce se formeaza
pe vaporizator cresc de 3-4 ori fata de cele ce s-ar forma in condtiile lipsei respectivelor
precipitatii.
8
La temperaturii sub -7º C aerul de iarna este uscat si chiar la umiditatii relative de
70% contine o cantitate foarte mica de vapori in asa fel, incat se poate functiona zilnic
fara pericolul aparitiei de bruma.
Eliminarea brumei (degivrarea) se face prin incalzirea vaporizatorului. Aceasta se
realizeaza in diferite moduri, dar in orice caz se consuma suplimentar circa 5-10%
preluata la vaporizator. Cea mai utilizata metoda de degivrare este inversarea rolului
schimbatoarelor de caldura, respectiv, prin functionarea condensatorului ca vaporizator si
a vaporizatorului in rol de condensator. Practic, acesta este modul de functionare ca
instalatie de climatizare, vara. Deci, in timpul procesului de degivrare, pompa de caldura
nu numai ca nu livreaza caldura in locuinta, dar si mai consuma caldura din interiorul
cladirii.
Un alt dezavantaj al aerului exterior ca sursa de caldura este faptul ca
acesta in contact cu componetele pompei de caldura, le corodeaza, in special suprafetele
reci pe care se formeaza condens. De cele mai multe ori, in zonele din vecinatea marilor
sau in zonele puternic industrializate este necesar ca vaporizatoarele sa fie realizate
complet din cupru.
Deoarece amplasarea vaporizatoarelor se face in interiorul cladirilor (pivnite,
poduri) sau in imediata lor apropiere, este necesara prevederea unei bune izolatii fonice a
zgomotului ventilatorului.
Avand in vedere cele de mai sus, rezulta ca, aerul exterior este o sursa de caldura
economica pentru zone climatice in care iarna este lunga si blanda. Astfel de conditii sunt
indeplinite de tarile din nord-vestul Europei care au o clima continental oceanica.
3.1.2 Apa
Apa constituie cea mai buna sursa de caldura, luand in considerare marea ei
capacitate termica si foarte bunele ei caracteristici de transfer al caldurii. Din pacate, apa
devine un material din ce in ce mai rar si mai scump, astfel ca utilizarea ei trebuie facuta
cu discernamant. In plus, apele freatice de mica adancime, si, in special, cele de suprafata
9
sunt din ce in ce mai poluate cu noxe industriale sau, termic, cu ape de racire si deseu,
astfel ca multe rauri si lacuri aproape ca nu mai ingheata iarna. Pornind de la ideea ca apa
reprezinta o substanta vitala planeti si ca gospodarirea ei judicioasa constutie in prezent o
necesitate imperioasa, orice mod de utilizare a ei intr-o instalatie de pompa de caldura,
chiar daca dupa utilizare se returneaza rezervorului natural, este supusa aprobarii
organelor administrative de stat.
Apa freatica. Apa freatica are temperatura aproximativ egala (sau mai mare cu
circa 1-2 º C) cu temperatura medie anuala a aerului exterior.
Temperatura ei este foarte uniforma si constituie o buna sursa de caldura chiar si
in timpul iernii. Datele privind existenta, caracteristicile, si cantitatile disponibile
probabile ce se pot utiliza sunt cunoscute de catre organele administrative care
coordoneaza protectia apelor sau de catre intreprinderile ce efectueaza foraje de puturi de
apa freatica, intreprinderi care prin natura activitatilor, cunosc din experinta aceste date.
De obicei, se efectueaza un foraj de proba pentru determinarea adancimii apei. In general,
un put are o productivitate de 2-5m3 pe ora suficienta pentru alimentarea cu caldura a 2-5
apartamente conventionale. Bineinteles ca pentru alimentarea unor consumatori mai mari,
functie de cantitatea de apa necesara, sunt necesare mai multe puturi.
Instalatia cu puturi sufera de marele dezavantaj ca, in timp, caracteristicile
puturilor se degradeaza, producandu-se asa-numita imbatranire a puturilor .Deorece
aceasta depinde de multi factori, este greu de stabilit durata de viata a unui put. Factorii
care favorizeaza imbatranirea sunt:
- nisiparea – la viteze mari ale apei freatice se antreneaza particule de nisip si
argila care se depun pe conducte si care pana la urma pot infunda putul de
retur
- coroziunea – toate componentele care nu sunt realizate din materiale rezistente
la coroziune sunt atacate si distruse rapid, ridicand multe probleme de
intretineresi reparatii
- colmatarea – este reprezentata de formarea carbonatilor in filtrul de pietris si
in fantele de aspiratie
Pentru anihilarea actiunii acestor factori, trebuie sa se ia o serie de masuri:
10
- partile de otel care intra in contact direct cu apa trebuie protejate impotriva
coroziunii; aceste parti sunt furnizoare de ioni de fier care contribuie la
alterarea chimica si biologica a puturilor
- sa se prevada filtre pentru impiedicarea depunerilor in instalatie si in putul de
retur
- pentru imbunatatirea calitatii apei este bine ca inante si dupa vaporizator sa
fie prevazute sptaii de linistire.
3.1.3 Apele de suprafata
Asupra temperaturii apelor de suprafata nu se pot face aprecieri apriorice, ci
numai pe baza unor masuratori. Raurile mici si neafectate indica o medie lunara a
temperaturii apei dependenta de temperatura exterioara, avand o amplitudine mai redusa
cu 2-3º C. La aceste surse de caldura trebuie avut in vedere pericolul de inghet in iernile
aspre. Avand in vedere acest aspect, pentru utilizarea unor astfel de surse de caldura,
trebuie prevazuta o functionare bivalenta cu o instaltie care sa asigure intregul necesar al
caldurii pentru perioada cand apa ingheata. La o astel de instalatie, pompa de caldura
livreaza mai mult de trei sferturi din necesarul anual de caldura, restul fiind acoperit din
instalatia de varf.
O problema inca in discutie in prezent este reprezentata de limita maxima de
racire a apei, in asa fel incat ea sa nu modifice distructiv flora si fauna. In general, toata
lumea este de acord ca pana la temperaturi de +2º C nu apar astfel de probleme si ca
temperatura are o mai mica influenta asupra ecologiei apelor de suprafata decat
transparenta si continutul de oxigen, care de obicei nu sunt afectate de utilizarea in
instalatii cu pompe de caldura.
Un caz special este reprezentat de utilizarea apei potabile din reteaua oraseneasca
ca sursa de caldura. Aceasta apa este indicata, deoarece este curata, nu ingheata si are o
temperatura cvasiconstanta in timpul anului de circa 7-15º C, in functie de
amplasamentul geografic. Proprietatile fizico-chimice ale apei potabile determina
dezavantajul coroziunii si formarii de depuneri pe suprafetele schimbatoarelor de caldura
si a conductelor de legatura. Utilizarea acestor surse este insa conditionata de existenta
11
surselor de apa potabila si de costul aducerii unor cantitati suplimentare la consumatori.
De asemenea, se pune problema utilizarii lor in asa fel, incat sa nu fie afectata
potabilitatea apei la trecerea prin vaporizator.
In ciuda acestor dezavantaje, apele de suprafata au mari posibilitati de utilizare ca
surse de caldura si sunt foarte indicate in cazurile speciale in care, in amonte de
concentrari urbane, se afla intreprinderi industriale ce utilizeaza apa raului pentru procese
de racire in circuit deschis.
3.1.4 Solul
Solul reprezinta o buna sursa de caldura, avand in vere temperatura lui constanta
la nivelel acceptabile, capacitatea lui disponibila si posibilitatile de acumulare in spatiu si
timp
Factorii cei mai importanti care caracterizează din punct de vedere termic solul
sunt conductivitatea termică, densitatea şi căldura specifică. Este dificil de stabilit o
clasificare a solurilor. Conţinutul de umiditate şi densitatea au influenţe determinante
asupra proceselor de conducţie a căldurii.
De obicei, solul in timpul iernii are cea mai mică umiditate, însă schimbătoarele
de căldură nu se dimensionează pentru acest caz, deoarece ar deveni prea mari şi scumpe.
In timpul funcţionării schimbătorului de căldură au loc procesele de difuzie, prin care
umiditatea migrează, cu scăderea temperaturii, ceea ce îmbunătăţeşte conductibilitatea
solului, realizandu-se în apropierea schimbătorului un transport suplimentar de căldură.
De asemenea, trebuie să se ia în considerare apele freatice, în special direcţia şi viteza lor
de curgere.
In timpul funcţionării, apar periodic măriri ale volumului solului care
îmbunătăţesc contactul cu ţevile schimbătorului şi micşorări ale acestui volum cu
consecinţe opuse. De aceea, este indicată pozarea ţevilor într-un strat de nisip sau
realizarea ţevilor din materiale elastice care să-şi modifice forma în funcţie de mişcările
solului.
12
Măsurările au arătat că cantitatea de căldură preluată pe unitatea de lungime de
ţeava creşte cu 200% la solul umed faţă de solul uscat, iar pentru pozarea într-un strat
umezit artificial creşte cu 200 % faţă de solul umed natural.
Experienţa arată că evoluţia temperaturii în sol este practic constantă
la 10 m adîncime şi este egală cu temperatura medie anuală la suprafaţa
solului. Din considerente economice, adîncimea de pozare a ţevilor este
de 1,5—2 m. Realizarea schimbătoarelor de căldură în sol a cunoscut două direcţii
de dezvoltare.
Una din metode constă în pozarea de conducte din material plastic, pe o suprafaţă
de 1,5-2 ori mai mare decît suprafaţa clădirii ce se alimentează cu căldură, sub formă de
reţele, aşezate în şanţuri la adîncimea de 1,5-2 m.
Nu este indicată utilizarea ţevilor metalice, deoarece sînt scumpe şi în plus pot da
naştere la fenomene de electrocoroziune.
In ultimul timp s-a dezvoltat o nouă metodă de utilizare a (sub)solului ca sursă de
căldură, şi anume utilizarea schimbătoarelor de căldură cu conducte verticale. Principiul
de funcţionare a acestui tip de colector este realizat cu conducte ţeava în ţeava, implantate
vertical sau oblic, cu o înclinaţie de pînă la 60° în pămînt şi prin care circulă agentul de
transport al căldurii preluate din sol (fig. 2.4).
. In concluzie, utilizarea solului ca sursă de căldură pentru pompele de căldură prezintă
o serie de avantaje faţă de celelalte surse naturale. Dintre acestea, cel mai important este
că sursa este aproape complet independentă de necesarul de căldură şi nu are capacitatea
minimă la mijlocul iernii, aşa cum au celelalte surse naturale.
3.1.5 Radiaţia solară
Sursele de căldură naturale descrise pînă acum reprezintă surse al căror izvor este
energia solară reprezentînd astfel utilizarea ei prin intermediul unor anumiţi agenţi, însă
este posibilă utilizarea nemijlocită a energiei solare ca sursă de căldură.
13
Energia solară provenită sub formă de energie electromagnetică este o importantă
sursă de căldură sub raportul cantităţii, însă prezintă dezavantajul de a avea o mică
densitate şi, astfel, utilizarea ei este dificilă şi scumpă.
Soarele radiază asupra pămîntului energie care, vara, la mijlocul zilei, este de
1000 W/m2, iarna scăzînd la 50 - 200 W/m2. Din această energie, prin utilizarea
colectoarelor solare, se poate capta numai jumătate. De aceea, alimentarea cu căldură a
locuinţelor numai din această sursă este practic imposibilă.
Prin utilizarea unei scheme cu colectoare solare şi o pompă de căldură, se poate
coborî temperatura necesară a fi asigurată de colectoarele solare. Aceasta are ca efect
micşorarea pierderilor de căldură ale colectoarelor (se poate micşora izolaţia) către
mediul ambiant precum şi mărirea duratei de utilizare a colectoarelor solare şi mărirea
randamentului acestora. Se poate funcţiona astfel şi dimineaţa, seara sau cînd cerul este
acoperit existînd numai radiaţie difuză. O astfel de schemă conduce la dublarea energiei
captate de captatoarele solare.
Avînd în vedere disponibilitatea şi complexitatea captării energiei solare, cea mai
avantajoasă utilizare este oferită de combinarea acestei energii cu celelalte energii
naturale sau cu instalaţii clasice de alimentare cu căldură.
Astfel, în combinaţie cu aerul exterior, se obţine prin încălzirea acestuia în
colectoarele solare o creştere a coeficientului de performanţă al instalaţiei cu pompă de
căldură de cca. 25 %.
In concluzie, se poate spune, că sursele naturale de căldură prezintă suficiente
argumente de utilizare pentru alimentarea cu căldură a clădirilor, în special, a celor
individuale şi că utilizarea lor ca surse de căldură la instalaţii cu pompe de căldură, dar
care dispun şi de instalaţii clasice funcţionînd pe combustibili clasici, conduc la efecte
energetice semnificative şi la perioade de recuperare a cheltuielilor suplimentare din
valoarea economiilor de combustibil destul de scurte.
14
3.2 Surse de căldură deşeu
In acest capitol sînt descrise sursele de căldură care reprezintă domeniul de
aplicaţii denumit, în general, industrial.
Mărirea eficienţei energetice şi economice a proceselor industriale prin
reintroducerea în circuitul energetic a resurselor energetice secundare care apar şi se
dezvoltă o dată cu aceste procese se realizează, actualmente, în mod satisfăcător prin
utilizarea schimbătoarelor de căldură recuperative, însă numai pentru sursele de căldură
cu nivel termic ridicat.
Există multe cazuri în industrie în care căldura deşeu conţinută în gaze sau lichide
are un nivel termic prea scăzut pentru a putea fi utilizată prin transfer direct de căldură. In
această situaţie, sînt mari cantităţi de căldură de 25- 40°C care nu pot fi utilizate decît cu
ajutorul pompelor de căldură.
Deşi utilizarea pompelor de căldură în domeniul industrial a fost recomandată şi
s-au făcut unele aplicaţii încă de acum trei decenii, abia în prezent domeniul se bucură de
un interes deosebit, cu un larg număr de aplicaţii pe baza termenelor de recuperare
acceptabile.
Utilizarea pompelor în industrie vizează trei domenii mari de surse de căldură:
- căldură deşeu conţinută în agenţi în stare lichidă;
- căldură din procese de uscare, fierbere şi vaporizare;
- căldură deseu din procese frigorifice;
- alte surse de căldură deşeu.
3.2.1 Căldură deşeu conţinută în agenţi în stare lichidă
Acesta este unul din cele mai importante domenii de utilizare a pompelor de
căldură utilizînd compresia de vapori, cu acţionare cu motor termic sau electric.
Cele mai reprezentative industrii care, pe de o parte, evacuează căldura deşeu
conţinută în ape cu temperaturi cuprinse între 10 şi 60°C şi, pe de altă parte, consumă
15
căldură la nivele termice moderate, excluzînd situaţiile în care căldura necesară la
consumator poate fi preparată direct prin schimb de căldură (de exemplu, pentru
preîncălzirea apei de alimentare a cazanelor), sînt prezentate în tabelul 2.2.
Aşa cum se observă, cel mai mare domeniu cu resurse valorificabile cu pompe de
căldură este reprezentat de industria alimentară şi de cea textilă.
Industria alimentară elimină mari cantităţi de apa cu diferite nivele de temperatură
mai mult sau mai puţin poluată şi, de asemenea, necesită mari cantităţi de apă de răcire.
Cantităţile de apă uzată pot fi micşorate prin metode de recirculare a acesteia, utilizînd-o
la încălzire, răcire sau spălare.
3.2.2 Căldură din procese de uscare, fierbere şi vaporizare
Un alt domeniu cu importante surse de căldură este reprezentat de procesele de
uscare, fierbere şi vaporizare. Aici, sursele sînt mult mai diverse decît efluenţii lichizi,
astfel că partea de „sursă rece" a unei pompe de căldură trebuie să fie realizată în
concordanţă cu echipamentele procesului respectiv.
In general, sursa de căldură este reprezentată de aerul umed evacuat.
Există multe industrii care utilizează procesele de uscare, dezumidificare şi
concentrare, în special, în domeniul chimiei, produselor farmaceutice şi alimentare.
Astfel de procese se întîlnesc la fabricarea următoarelor produse : hîrtie; cărămizi,
ceramică, faianţă, obiecte sanitare; lapte concentrat sau praf; gips ; plastifianţi; textile;
clei şi vopsele ; îngrăşăminte agricole; cherestea.
3.2.3 Căldură deşeu din procese frigorifice
Avînd în vedere numărul mare de echipamente frigorifice care evacuează căldură
deşeu sub formă de aer cald uscat sau de apă caldă, aceste surse constituie un larg
domeniu de aplicaţii ale pompelor de căldură.
Există procese industriale care necesită încălzirea unor substanţe şi apoi răcirea
lor. Un exemplu tipic este reprezentat de pasteurizarea laptelui. In acest caz, căldura
preluată de la răcirea laptelui constituie o bună sursă pentru încălzirea lui, cu ajutorul
16
unei pompe de căldură. In aceeaşi situaţie sînt instalaţiile frigorifice de la abatoare şi de la
patinoare şi săli de sport.
Sursele de căldură din domeniul industrial şi, în aceeaşi măsură, cele de natură
hidrogeotermică au caracteristici care le fac să fie mult mai interesante decît cele
naturale, conducînd la efecte energetice şi economice mai importante. Astfel de surse
prezintă următoarele avantaje:
- au nivele de temperatură, în general, mai ridicate decît cele naturale şi sînt
independente de temperatura exterioară. Aceasta conduce, în majoritatea cazurilor, la
coeficienţi de performanţă ridicaţi şi, deci, la avantaje energetice şi economice;
- au durată de utilizare mare, putînd alimenta consumatori chiar din procesul care
le creează sau din imediata vecinătate;
- prezintă mari cantităţi de căldură cu nivel termic practic constant. De regulă,
cantităţile de surse de căldură industrială depăşesc consumurile ce ar putea fi asigurate cu
pompe de căldură. De aceea, în cazul în care există sisteme centralizate de încălzire a
cartierelor de locuinţe, în vecinătatea unor platforme industriale cu disponibil de surse de
căldură, valorificarea acestora cu ajutorul pompelor de căldură conduce la avantaje
substantiale. In această situaţie, este favorizată construcţia unor agregate mari cu
investiţii şi cheltuieli de exploatare specifice mici.
O problemă pe care o ridică astfel de surse este gradul lor de impurificare, în
cazurile cînd acestea nu sînt curate, utilizarea căldurii deşeu conţinute este posibilă numai
după staţiile de epurare, cînd nivelul lor termic scade mai mult sau mai puţin.
La valorificarea surselor de căldură industriale cu ajutorul pompelor de căldură
trebuie să avem întotdeauna în vedere că acestea realizează consumuri energetice mult
mai mari decît recuperarea directă. De aceea, implementarea unei pompe de căldură
trebuie sa fie prevăzută numai după epuizarea tuturor posibilităţilor de recuperare directă.
De obicei, cele mai avantajoase scheme sînt combinaţiile dintre schimbătoare de căldură
recuperative şi pompe de căldură.
17
4. Agenti de lucru ai instalatiilor de pompe de caldura
4.1 Condiţii impuse agenţilor de lucru
Date fiind analogiile funcţionale şi constructive existente între instalaţiile
frigorifice şi pompele de căldură, agenţii de lucru utilizaţi în pompele termice fac parte
din categoria, foarte cuprinzătoare, a agenţilor frigorifici. In cadrul cercetărilor actuale
din domeniul construcţiei şi exploatării pompelor termice, alături de căutările întreprinse
pentru diversificarea domeniilor de utilizare, ridicarea performanţelor instalaţiilor şi
folosirea diverselor surse de căldură, un loc important îl ocupă eforturile în direcţia găsirii
sau punerii în valoare a unor noi agenţi de lucru, care să corespundă în cît mai mare
măsură cerinţelor multiple impuse de funcţionarea sigură şi eficientă a instalaţiilor.
18
In prezent se utilizează ca agenţi de lucru pentru diferite tipuri de pompe de
căldură:
- freoni şi amoniac pentru pompele termice cu comprimare mecanică de vapori;
- soluţii binare (cu doi componenţi), în special, soluţia hidroamoniacală şi soluţia
de bromură de litiu cu apă pentru pompele termice cu absorbţie ;
- vapori de apă pentru pompele termice cu ejecţie;
- aer pentru pompele termice cu comprimare de gaze.
După cum se poate observa din prezentarea proceselor ce au loc în pompele
termice termoelectrice, în aceste instalaţii nu se poate vorbi de agenţi de lucru în sensul
obişnuit al cuvîntului.
In tabelul 3.1 se prezintă proprietăţile fizice şi acţiunea fiziologică a principalilor
agenţi de lucru din instalaţiile de pompe termice, conform STAS 6987 — 71 şi a datelor
din literatura de specialitate.
4.2 Amoniacul
Amoniacul, deşi prezintă dezavantajul unei toxicităţi foarte mari, precum reiese şi
din tabelul 3.1, continuă să fie unul din cei mai utilizaţi agenţi de lucru în instalaţiile
frigorifice, precum şi în instalaţiile de pompă termică cu putere termică mare.
Avantajele utilizării amoniacului sunt, în principal, următoarele :
- căldură mare de vaporizare (şi respectiv, de condensare), ceea ce conduce la
valori mari ale sarcinii termice specifice volumice în condensator, ;
- valori ridicate ale eficienţei termice a ciclului;
astfel, pentru ciclul Carnot inversat care se desfăşoară intre t0 = 0°C şi tc = 50°C,
eficienţa termică εc are valoarea 5,53 in cazul NH3, superioară celor ale majorităţii
19
freonilor utilizaţi in pompele termice : 5,16 pentru R 12; 4,64 pentru R 21 ; 4,35 pentru R
502 ;
- valori mari ale coeficienţilor de transfer de căldură atît în stare lichidă, cît şi în
stare de vapori;
- pierderi reduse de presiune la curgerea prin conducte, ca urmare a valorilor
reduse ale densităţii atît în starea lichidă, cît şi în cea de vapori;
se deduce că amoniacul este un agent de lucru foarte „uşor", şi anume cu o
densitate a stării de vapori mai mică decît cea a aerului şi cu o densitate a stării lichide
mai mică decit cea a uleiului de ungere, deci amoniacul lichid pluteşte deasupra uleiului;
- solubilitate faţă de apă, astfel încît conţinutul de apă în amoniac lichid poate
ajunge pînă la 0,1%; de asemenea, amoniacul nu formează cu apa agenţi corosivi; prin
amestecarea apei cu amoniacul, punctul de solidificare al amestecului este coborît foarte
mult, astfel încît la temperaturile de vaporizare obişnuite care intervin în pompele termice
nu intervine nici un pericol de formare a gheţii în circuitul instalaţiei;
- uşurinţă de detectare a scăpărilor de agent, în primul rînd ca urmare a mirosului
caracteristic; în cazul unor scăpări reduse, punerea acestora în evidenţă se face cu ajutorul
acidului clorhidric fumans : la locul neetanşeităţilor se formează clorura de amoniu, sub
forma unui fum alb caracteristic;
- cost redus de fabricare a agentului (de obicei, prin sinteza azotului şi
hidrogenului);
- transport simplu, în butelii de oţel la presiunea de 10—15 bar.
Dezavantajele utilizării amoniacului sînt:
- toxicitate ridicată (conform tabelului 3.1) şi inflamabilitate la 650°C pentru
amestecul aer-amoniac şi la 850°C pentru amoniacul pur;
- valori ridicate ale presiunii de condensare pc şi ale raportului de comprimare
a vaporilor;
astfel, în cazul ciclului de pompă termică care se desfăşoară t0 = 0°C şi tc = 50°C,
presiunea de condensare este pc= 20,6 bar, iar raportul ;
20
- corodarea cuprului şi aliajelor acestuia (în special, în prezenţa apei); de
asemenea, pericolul de explozie al amestecului dintre amoniac şi mercur, în cazul
utilizării mercurului ca lichid manometric;
- volum specific mare al vaporilor, care conduce la dimensiuni mari ale
compresorului; totodată, avînd o masă molară coborîtă (M = 17,03), amoniacul nu este
recomandat pentru utilizare în compresoare centrifuge;
- solubilitate redusă în uleiul de ungere, determinînd formarea unui strat de ulei de
ungere pe suprafeţele schimbătoare de căldură, deci o reducere a transferului de căldură.
4.3 Freonii
4.3.1 Caracteristicile generale ale freonilor
Freonii sunt, în prezent, agenţii de lucru cei mai utilizaţi atît pentru instalaţiile
frigorifice, cît şi pentru pompele termice cu comprimare mecanică de vapori.
Avantajele pe care le prezintă freonii, ca agenţi de lucru pentru pompele termice,
se pot rezuma la următoarele :
- grad foarte redus de periculozitate, întrucît sînt neinflamabili, inexplozivi şi
netoxici; pînă la un conţinut în aer de circa 20 %, în părţi de volume, nu au miros, iar la o
concentraţie mai mare au miros uşor dulceag;
- gamă largă de valori ale masei molare a diverşilor freoni, ceea ce face posibilă
utilizarea unora (R 12, R 22 etc.) în compresoare volumice, iar a altora (R 11, R 113 etc.)
în compresoare centrifugale;
- valori scăzute ale exponentului adiabatic, k, pentru majoritatea freonilor : 1,09
pentru R 113; 1,13 pentru R 11; 1,14 pentru R 12; 1,16 pentru R 21; rezultă temperaturi
acceptabile la sfîrşitul comprimării vaporilor, precum şi puteri mecanice de antrenare a
compresorului mult mai mici decît în cazul altor agenţi de lucru;
- umectare bună a metalelor, favorabilă proceselor de vaporizare;
21
- capacitate foarte bună de dizolvare a uleiurilor; astfel, suprafeţele schimbătoare
de căldură nu se murdăresc cu ulei, permiţînd obţinerea unor valori acceptabüe ale
fluxului complex de căldură;
- posibilitatea realizării unor rapoarte de comprimare a vaporilor in
compresor, precum şi a unor valori ale presiunii de condensare pc, care să nu prezinte
probleme de rezistenţă şi etanşare pentru condensator şi să nu conducă la consum
exagerat de energie mecanică pentru comprimarea agentului; acest lucru este posibil prin
alegerea corespunzătoare a agentului de lucru din gama destul de largă a freonilor
recomandaţi pentru pompele termice. Diagrama redată în fig. 3.2 dă posibilitatea
stabilirii raportului de comprimare corespunzător unei anumite temperaturi de
vaporizare. Trebuie menţionat faptul că un raport de comprimare prea mare înrăutăţeşte
coeficientul de debit λ al compresorului şi conduce la o temperatură prea ridicată a
vaporilor comprimaţi;
- nereactivitatea chimică a freonilor cu metalele în cazul cînd nu prezintă un
conţinut ridicat de apă; se impune, deci, necesitatea obţinerii unei purităţi ridicate a
acestor agenţi, fără conţinut iniţial de apă.
Dintre dezavantajele freonilor se menţionează :
- sarcină termică specifică volumică , în general redusă; în tabelul 3.5 sînt
redate, pentru freonii utilizaţi în pompele termice cu comprimare de vapori, valorile lui
, valorile eficienţei termice ideale μc pentru un ciclu Carnot inversat care se desfăşoară
între t0 = 0°C şi tc = 50°C; precum şi presiunea de condensare pc şi raportul de
comprimare ; pentru comparaţie s-au indicat aceste mărimi şi în cazul amoniacului.
Din tabel se deduce că freonii caracterizaţi prin presiuni de condensare pe scăzute (R 11,
R 21, R 114) au sarcini termice mici, deci pentru realizarea unei puteri termice Qc
date este nevoie de debite volumice mari; freonii care prezintă valori mari ale presiunilor
de lucru (R 22, R 502) au în schimb şi sarcini termice volumice relativ mai mari, deci
pentru aceeaşi putere termică Qc a instalaţiei, debitele volumice de vapori necesare sînt
22
mai mici şi, implicit, debitele volumice corespunzătoare cursei pistonului compresorului
sunt considerabil mai reduse.
- pierderi gazodinamice mari, ca urmare a valorilor mari ale densităţii freonilor
atît în stare lichidă, cît şi în stare de vapri;
- valori relativ reduse ale coeficienţilor de transfer de căldură, ceea ce determină
suprafeţe mai mari ale schimbătoarelor de căldură;
- cost relativ ridicat de fabricaţie, mai ales că se impune un grad înalt de puritate;
- dizolvă cauciucul natural şi ca urmare, garniturile de etanşare din stalaţiile cu
freon sînt fie metalice, din fibre presate, cu lianţi insolubili in freon (neopren, cloropren
etc.);
- solubilitatea apei în freoni este diferită : în freonii fără atomi de hidrogen în
moleculă (R 11, R 12, R 113, R 114), dizolvarea este foarte redusă (sub 25 mg/kg), ceea
ce poate provoca formarea gheţii în ventílele de reglaj sau de laminare dacă temperatura
de vaporizare t0 este sub 0°C;
în freonii ce conţin şi hidrogen (R 21, R 22) dizolvarea apei este posibila într-o proporţie
mai mare; dar la un conţinut de apă mai mare ca 25 mg/kg unii freoni se descompun,
formînd acid clorhidric şi acid fluorhidric, care atacă uleiul de ungere şi unele materiale
de etanşare.
5. Regimuri energetice de functionare
Aruncand o privire din exterior un sistem cu pompa de caldura poate functiona in
urmatoarele regimuri:
- monovalent, presupune asigurarea intregii cantitati de caldura de catre pompa de
caldura;
- bivalent, presupune existenta a doua surse de caldura ;
- bivalent alternativ, pompa de caldura poate functiona alternativ ;
- bivalent paralel, pompa de caldura poate functiona paralel.
23
6. Eficienţa termică a pompelor de căldură
Cu o pompă de căldură se poate mări, prin alimentarea cu energie mecanică
temperatura surselor de căldură neutilizabile ca de exemplu aerul, apa freatică sau solul.
Pentru a obţine un indice de putere momentan ridicat se tinde să se ajungă la puterea
minimă pe tur de 40ºC, la încălzirea prin pardoseală .
Cantitatea mai mare de căldură, cea cu care, de exemplu se alimentează o
instalaţie de încălzire nu provine de la energia de acţionare a compresorului, ci este în
principal energie solară care se acumulează pe cale naturală în sol, aer sau apă.
Această cantitate poate fi în funcţie de tipul acumulatorului de căldură, mai ales
de nivelul de temperatură, de trei până la cinci ori mai mare decât energia cu care se
alimentreză compresorul.
Raportul dintre energia termică utilizată şi energia electrică de acţionare a
compresorului se numeşte eficienţă termică instantanee μ.
unde:
- Q este puterea termică cedată de pompa de căldură la un moment dat în KW
- P este puterea electrică cu care se alimentează pompa de căldură la un moment
dat în KW
Cu cât diferenţa de temperatură dintre sursa de căldură şi instalaţia de utilizat
căldura este mai mică cu atât mai mare (mai bun) este indicele de putere.
Eficienţa termică medie anuală β a instalaţiei cu pompe de căldură se calculează
ca raport dintre căldura cedată pe timp de un an de către instalaţia de pompe de căldură şi
puterea electrică absorbită de către instalaţia de pompe de căldură pe timp de un an.
unde:
- Q este cantitatea de căldură descărcată de către instalaţie pe parcursul unui an în KWh
- W este energia electrică cu care se alimentează instalaţia pe timp de un an în KWh
24
10. Consideraţii generale privind prepararea apei calde menajere
Prepararea apei calde menajere, reprezintă o componentă importantă a necesarului
de căldură al unui imobil, prezentând ca şi caracteristică importantă faptul că este relativ
constantă tot timpu lanului.
În cazul utilizării surselor regenerabile de energie, cum este energia geotermală
utilizată în pompele de căldură, temperatura apei calde menajere preparate, va fi de cca.
40°C. În cazul în care căldura pentru prepararea apei calde se obţine prin arderea unor
combustibili clasici solizi, lichizi sau gazoşi, biomasă solidă, biogaz, etc., temperatura
apei va fi de 60…65°C. În ambele cazuri, temperatura apei la utilizare va fi de cca. 40°C,
acestă temperatură fiind reglată prin adaus de apă rece.
Prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiilor regenerabile, se realizează în
regim de acumulare. Nu se utilizează niciodată regimul “instant” de preparare a apei
calde, deoarece acesta din urmă, presupune sarcini termice mari, deci echipamente
scumpe. Astfel, cu ajutorul surselor regenerabile de energie, apa caldă menajeră este
preparată în boilere, al căror volum de acumulare trebuie determinat în funcţie de
consumul zilnic de apă pe care trebuie să îl asigure.
O problemă importantă a prepararării apei calde menajere la temperaturi sub
60°C, este că în boilerele aflate sub această temperatură, se poate dezvolta o bacterie,
denumită Legionella Pneumophila. Această bacterie nu afectează sistemul digestiv, dar
este extrem de agresivă pentru sistemul respirator, afectând plămânii şi poate provoca
inclusiv moartea pacienţilor. În băi, bacteria menţiontă poate să ajungă din apă în aer, iar
de aici poate să fie inhalată în plămâni. Datorită acestei bacterii, cel puţin boilerele pentru
prepararea apei calde menajere la temperaturi sub 60°C, trebuie prevăzute şi cu o
rezistenţă electrică, sau cu o altă sursă de căldură, deoarece apa caldă menajeră din boiler
trebuie încălzită pentru cel puţin pentru o oră pe zi, până la temperatura de 60°C, la care
această bacterie este distrusă.
În instalaţiile pentru prepararea apei calde menajere se pot utiliza diferite tipuri de
boilere, aşa cum se observă în figurile 10.1 şi 10.2, care pot fi racordate la diverse
echipamente de încălzire, funcţionând cu diverse surse de energie.
25
Fig. 10.1. Boiler vertical electric
www.viessmann.com
Fig. 10.2. Boiler orizontal cu o serpentină
www.viessmann.com
26
Fig 10.3 Elementele constructive ale unui boiler
27
11. Variante de pompe de caldura
11.1. Pompe de caldura aer – aer
Pompele de caldura aer – aer sunt agregate de puteri mici si mijlocii, fiind folosite
pentru incalzirea incaperilor de locuit, birourilor, caselor individuale, salilor de
spectacole, etc.
Aceste aparate extrag caldura din aerul exterior sau din aerul de ventilatie
recirculat sau evacuat din incaperi. Fiind agregate de puteri mici si mijlocii, asigura
numai incalzirea de baza, cea de varf fiind asigurata de rezistente electrice suplimentare
sau de un sistem clasic de incalzire. Caldura este livrata sub forma de aer cald, cu ajutorul
unui sistem de ventilatoare.
O schema a unei pompe de caldura reversibile aer - aer este prezentata mai jos
unde sunt evidentiate si cele doua regimuri de functionare.
28
In regim de incalzire fig a , agentul de lucru, freon R12 , cu presiune mare si
temperatura ridicata este dirijat din compresor prin ventilul inversor catre bateria
interioara (condensator) unde cedeaza caldura aerului din incapere. Aerul din incapere
este recirculat peste bateria de incalzire cu ajutorul unui ventilator. Dupa trecerea prin
ventilul de laminare, in care se produce detenta agentului de lucru, acesta, avand
temperatura scazuta, circula prin bateria exterioara (evaporator), primind caldura de la
aerul atmosfeic. Ciclul se inchide prin ventilul inversor catre compresor.
In regim de racire fig b compresorul ridica temperatura si presiunea agentului de
lucru, trimitandu-l prin intermediul ventilului inversor in bateria exterioara (condensator),
unde cedeaza caldura aerului atmospheric. In continuare agentul de lucru strabate ventilul
e laminare in care se produce detenta acestuia, insotita de o apreciabila cadere de
presiune si temperatura, urmand ca in bateria interioara , agentul de lucru sa extraga
caldura din aerul din incapere. Ciclul se inchide prin ventilul inversor catre compresor si
se reia.
Constructiv pompa de caldura este alcatuita dintr-un compresor frigorific cu
motor electric incorporat, doua schimbatoare de caldura (baterii) prin care circula in
interior agentul frigorific freon R12 si in exterior aerul , doua ventilatore care asigura
trecerea fortata a aerului prin baterii , un ventil inversor , care inverseaza sensul agentului
frigorific prin baterii in functie de regimul dorit, un ventil de laminare care realizeaza
29
caderea de presiune si temperatura necesara pe circuitul de freon, conducte si alte repere
necesare functionarii aparatului si sisteme de comanda
.
Ventilatorul axial aspira aer dim exterior si il refuleaza in exterior prin bateria
exterioara.
Ventilatorul radial aspira aer din incapere si il refuleaza prin bateria interioara tot
in incapere (cand clapeta de ventilatie este inchisa ). Cand clapeta de ventilatie este
deschisa, cea mai mare parte din aerul aspirat din incapere este evacuate prin peretele
30
despartitor catre ventilatorul axial, care il trimite in atmosfera, realizandu-se astfel
purificare aerului din incapere.
Pompa de caldura aer – aer, cuprinde si repere originale care constituie subiectul
unor brevete de inventie acordate in tara si in curs de brevetare in strainatate ca:
- schimbatoare de caldura compacte cu tevi de aluminiu si lamele ondulate de
aluminiu;
- ventil inversor care asigura schimbarea regimului de functionare al agregatului.
Variante constructive pentru schimbatoarele de caldura ale pompei de
caldura aer – aer
Varianta Tevi Lamele Tehnologia
I Cu Al Lipirea lamelelor pe tevi.
Tevile cu coturi sudate la capete
`II Cu Al Umflarea pronuntata a tevii.
Tevile cu coturi sudate la capete.
III Cu Al Umflarea medie urmata de lipirea lamelelor
pe tevi.
Tevile cu coturi sudate la capete
IV Al Al Lipirea lamelelor pe tevi.
Teava continua de Al fara coturi sudate
31
Folosirea aluminiului pentru realizarea integrala a schimbatoarelor de caldura este
dictate de considerente economice cat si de considerente tehnice.Compatibilitatea
aluminiului cu agentii frigorifici este foarte buna. In ceea ce priveste folosirea lui pentru
ralizarea schimbatoarelor de caldura pentru pompa de caldura, acesta prezinta avantajul
ca nu apare fenomenul de coroziune in timp, asa cum se intampla la schimbatoarele de
caldura cu tevi de cupru si lamele de aluminiu.
Deoarece la temperature ale mediului exterior sub 3˚C, eficienta pompei de
caldura scade, fiind mai indicat ca la temperature exterioare coborate sa se foloseasca o
rezistenta electrica aditionala pentru furnizarea cantitiatii de caldura necesara incalzirii
incaperii. Astfel, pompa de caldura este echipata si cu o rezistenta electrica de 2000 W.
Pompa de caldura aer – aer este utila in cazul incaperilor la care necesarul
de energie este mai mere de 5500 – 6000 kWh/an, ceea ce
corespunde dormitoarelor si camerelor de zi, pompa de caldura realizata, carea furnizeaza
circa 6200 kWh/an, corespunde necesitatilor energetice ale fondului de locuinte
netermoficabil.
Majoritatea cunstructiilor noi sunt prevazute cu ventilare mecanica a aerului din
bucatarii si sali de baie, reprezentand 150 – 230 m³/h. aerul extras, reprezinta o sursa de
32
caldura capabila sa furnizeze energia necesara incalzirii aerului proaspat care este
introdus in in incaperile de locuit.
Folosirea pompelor de caldura aer – aer pentru incalzirea apartamentelor, in afara
de reducerile cantitative ale consumului de energie primara, au in vedere si alte
considerente: reducerea emisiunilor nocive in marile aglomerari urbane si imbunatatirea
conditiilor de confort in cladiri.
Pompele de caldura aer – aer pot fi folosite si pentru incalzirea unor locuinte
individuale,folosind in general caldura extrasa din aerul exterior. Primele instalatii de
pompe de caldura, la nivel de locuinta individuala, nu asigurau la inceput decat incalzirea
acesteia. In momentul de fata asigura si racirea aerului in incaperi in timpul sezonului
cald.
Instalatia este destinata sa asigure, in locuintele individuale prevazute cu ventilare
centralizata, recuperarea caldurii continute in aerul viciat evacuat si folosirea acesteia
pentru a incalzi aerul proaspat introdus in incapere. Pentru locuintele individuale se poate
asigura o conditionare integrala cu ajutorul pompei de caldura, aceasta putand efectua:
- ventilarea, incalzirea si racirea aerului;
- datorita racirii limiteaza debitele de ventilatie in timpul verii;
- permite asigurarea unor temperature interioare in limitele de confort termic;
- functioneaza complet automatizat si termostatat;
- permite umidificarea aerului din incaperi.
Progrese deosebite din ultimul timp in domeniul pompelor de caldura aer - aer, au
dus la realizarea unor pompe de caldura comandate si supravegheate de un calculator
integrat in aparat. Un astfel de modul cu circuite integrate constituie centrul nervos al
pompei de caldura si asigura urmatoarele comenzi:
- scoaterea din functiune a aparatului in cazul oricarei defectiuni mecanice;
- selectia si prereglajul temperaturilor de functionare a aparatului, in functie de
conditiile proprii fiecarei instalatii;
- intrarea in functiune a sistemului de incalzire electrica, numai atunci cand
pompa de caldura nu mai functioneaza eficient;
- protejarea componentelor aparatului la cresteri anormale de presiune si
temperatura.
33
11.2. Pompe de caldura aer-apa si apa-aer
11.2.1Pompa de caldura aer-apa
Pompele de caldura aer-apa sunt agregate de puteri mici si medii, care extrag
caldura din aerul exterior sau din aerul evacuat din incaperi, distributia caldurii facandu-
se printr-un circuit de incalzire cu apa, clasic, de joasa temperatura. Sistemul aer-apa se
adapteaza foarte bine constructiilor noi, mai ales ca metoda de extragere mecanica a
aerului (in cazul pompelor de caldura ce recupereaza caldura din aerul extras din
incaperi) este relativ recenta. Ca si in cazul pompelor de caldura aer-aer, acestea reclama
o incalzire electrica de varf in cazul depasirii anumitor limite de temperatura.
Pentru o locuinta individuala, o pompa de caldura aer-apa poate asigura cu succes
incalzirea in perioadele in care temperatura mediului exterior nu coboara sub 3-4°C, in
perioadele mai reci fiind necesara utilizarea in continuare a unei solutii clasice de
incalzire. S-a constatat ca aceste agregate detin coeficienti de performanta de ordinul 3-4,
deci superiori pompelor de caldura aer-aer, economia obtinuta fiind de 35-50% la
consumul de energie electrica, fata de incalzirea electrica directa.
O pompa de caldura aer-apa, functionand cu recuperarea caldurii din aerul extras
din incaperi este prezentata in fig. de mai jos.
Caldura este livrata sub forma de apa calda intr-un sistem de incalzire a camerelor
prin planseu. Alegerea apei ca fluid purtator de caldura in incaperi, provine din
constatarile facute, ca in general, beneficiarii europeni prefera acest tip de incalzire fata
de cel cu aer cald.
34
Un sistem de pompa de caldura aer-apa, care functioneaza cu o foarte buna
eficienta, este instalat la clinica Chantecler din Marsilia, Franta. La aceasta clinica,
incalzirea si conditionarea salilor de operatii, a salilor de urgenta si a salilor de
balneoterapie este facuta in totalitate cu ajutorul pompelor de caldura aer-apa, care
recupereaza caldura din aerul extras din clinica (inclusiv din camere si din bucatarii).
Pompa de caldura recupereaza caldura din cei 55 800 m³/h aer ventilat la 22°C.
Sistemul este prevazut si cu un turn de racire care asigura evacuarea caldurii in timpul
verii. Aceasta asigura incalzirea integrala, pana cand temperatura mediului exterior
ajunge la 5—6°C. O parte din caldura produsa asigura si micsorarea umiditatii aerului in
salile de balneoterapie, asigurandu-se bolnavilor un maxim de confort.
Pompele de caldura apa-aer utilizeaza, in general, caldura extrasa din apa de racire
din diferite procese industriale sau in cazul utilizarii lor pentru locuintele individuale,
caldura extrasa dintr-un put cu apa freatica sau caldura extrasa din sol.
35
Aceasta se utilizeaza insa, in special in cadrul unor sisteme integrate de alimentare
cu caldura a cladirilor.
Instalatia consta dintr-un sistem de distributie al apei, cu temperaturi cu prinse intre
18 si 35°C, cuplat cu un ansamblu de pompe de caldura mici apa-aer, amplasate in
incaperi si cu un punct termic centralizat prevazut cu instalatii pentru completarea
deficitului sau pentru evacuarea excedentului de caldura rezultat pe ansamblul cladirii.
Mai jos se prezinta schema de principiu a unui astfel de sistem, realizat de firma
Kessler & Luch K.G. din R.F.G. Apa, cu o temperatura constanta, stabilita in functie de
natura cladirii si conditiile climatice exterioare, este distribuita de agregatele mici de
pompe de caldura in care este racita sau incalzita, functie de necesitatea de incalzire,
respectiv racire a incaperii.
Pe conducta de intoarcere, amestecul rezultat poate avea temperaturi mai mici,
egale sau mai mari decat temperatura de ducere, in functie de raportul dintre excedentul
si deficitul de caldura al ansamblului incaperilor.
Aceste agregate realizeaza un coeficient de performanta mediu anual de ordin 2-3 si
pot fi montate in ferestre, in plafon, in zid sau de tip dulap.
36
Avantajele acestui sistem sunt:
- performante mai bune decat cele ale pompelor de caldura individuale aer-aer;
- investitii mai reduse decat cele ale sistemelor de incalzire si conditionare clasice,
cu circuite si surse separate de apa calda si apa rece;
- realizarea relativ simpla in cadrul modernizarii cladirilor vechi, cu folosirea
retelelor interioare existente si fara intreruperea activitatii in cladire.
In Anglia, acest sistem este aplicat in prezent la peste 9 000 de apartamente.
Pompele de caldura aer-apa sau apa-aer au totusi o arie de raspandire ceva mai
redusa decat pompele de caldura aer-aer sau apa-apa.
11.3. Pompe de caldura apa - apa
Pompele de caldura apa-apa extrag caldura din apa (rauri, lacuri, apa marii, panze
freatice subterane, ape geotermale, etc.) si livreaza caldura sub forma de apa calda.
37
Fig Pompa de caldura apa-apa
Gama acestora este foarte larga, fiind cuprinsa intre pompe de caldura destinate
incalzirii unei case individuale si pompe de caldura de mii de kilowati, destinate
sectorului industrial sau incalzirii unor complexe de locuinte.
Unul din avantajele pompelor de caldura de acest tip este ca, prin intermediul apei,
poate sa extraga caldura din sursele cele mai diferite..
Din analizele efectuate s-a putut constata ca pompele de caldura apa-apa sunt
competitive neconditionat in raport cu producerea caldurii din energie electrica, iar in
raport cu producerea caldurii in centrale termice sau cazane de apa fierbinte prin ardere
directa de combustibil isi mentine aceasta pozitie daca „inaltimea de pompare a caldurii”
nu depaseste circa 60°C.
Componenta unui agregat de 0,1 Gcal/h este prezentata mai jos. Acesta poate fi
utilizat pentru incalzirea locuintelor, cu temperaturi ale sursei de 25°C si la consumator
70°C.
Agentul de lucru (freon R12), in stare de vapori, este refulat din compresor in
condensator, unde vine in contact cu tevile reci in care circula apa de la consumator,
cedandu-i caldura. Agentul de lucru, condensat, se colecteaza in partea inferioara a
38
condensatorului de unde ajunge in doua subracitoare, destinate reintoarcerii uleiului in
compresor.
Agentul lichid este injectat apoi printr-un ventil de reglaj in cele doua evaporatoare,
unde, vaporizat, absoarbe caldura de la sursa. De aici, agentul de lucru este reintrodus in
compresor si ciclul se reia.
39
Functia principala a acestui sistem este de a transporta caldura excedentara dintr-o
anumita parte a imobilului intr-o alta parte, unde aceasta este necesara.
In cazul unui sistem cu agregat central, pompa de caldura este amplasata intr-o
centrala de incalzire si climatizare, iar realizarea incalzirii sau racirii incaperilor se face
prin intermediul ventiloconvectoarelor, echipate fiecare cu baterii de incalzire si de racire
distincte, racordate la un sistem de apa calda, respectiv de apa rece. Schema unui astfel de
sistem de incalzire si racire, elaborat de firma BBC-York, este prezentata in fig. de mai
jos.
Apa pentru incalzire preia caldura de la condensatorul pompei de caldura si
eventual de la sursa de varf si o cedeaza in incaperile de locuit. Apa pentru racire cedeaza
caldura in evaporatorul pompei de caldura si preia, prin intermediul bateriilor de racire,
caldura din incaperile cu bilant termic excedentar.
Pentru reducerea la minimum, in perioadele de iarna cu temperaturi extreme, a
duratelor de utilizare a sursei de varf, pe circuitul de apa rece, in paralel cu bateriile de
racire din incaperi este cuplat un recuperator pentru caldura de potential redus (ape calde
evacuate, ape freatice), care contribuie la diminuarea deficitului rezultat din diferenta
dintre cantitatea de caldura necesara pentru incalzire si cantitatea de caldura rezultata din
procesul de racire.
40
In perioadele in care caldura disponibila la condensatorul pompei de caldura
depaseste necesitatile pentru incalzire, excedentul rezultat se evacueaza in mediul
ambiant prin intermediul turnului de racire.
Calculele au aratat ca utilizarea la noi in tara a unor astfel de sisteme este posibila,
tinand seama de faptul ca exista conditii ca asemenea sisteme sa marcheze avantaje
economice fata de cele care utilizeaza solutii clasice (centala termica si centrala de
conditionare).
Un alt sistem posibil de incalzire cu o pompa de caldura apa-apa este prin utilizarea
caldurii solului.
Pompa de caldura utilizeaza caldura extrasa din sol cu ajutorul unor colectoare
tubulare speciale.
41
Apa care circula prin evaporatorul pompei de caldura este trimisa in aceste
colectoare, unde preia caldura solului si se reintoarce in evaporator. Masuratorile
efectuate au demonstrat ca, la adancimi de peste 5 metri,
temperatura solului ramane aproape constanta (circa 10—12°C), indiferent de perioada
din timpul iernii in care acestea au fost facute. Instalatia este prevazuta si cu un rezervor
de acumulare de circa 10 m3, in care poate fi stocate caldura in timpul perioadelor in care
instalatia de incalzire nu functioneaza.
Un sistem format din doua ventile cu trei cai permite incalzirea fie direct de la
condensatorul pompei de caldurasau de la rezervorul de acumulare, fie simultan.
42
O sursa de caldura din ce in ce mai utilizata pentru pompele de caldura apa-apa o
reprezinta apa geotermala. Ideea de a utiliza la maximum caloriile continute in apa
geotermala este impusa din motive economice, deoarece forajele necesita investitii
importante.
Un astfel de sistem permite atat incalzirea imobilelor noi, cat si a celor vechi.
Sistemul cuprinde:
- un put de extragere a apei geotermale (cu temperatura de circa 70°C), care cedeaza
caldura intr-un schimbator de caldura intermediar, racindu-se pana la circa 25°C;
- doua pompe de caldura P1 si P2, care permit ridicarea temperaturii apei din
circuitul de incalzire pana la valoarea dorita;
- un sistem de incalzire clasic, care asigura incalzirea la varf.
43
Analizand curba de sarcina pentru un anumit consumator de caldura, se constata ca
in zilele cele mai reci ale iernii, pe portiunea A—B este necesara incalzirea de varf din
surse conventionale.
Dimensionarea instalatiei cu pompe de caldura pentru acoperirea intregii sarcini
termice nu este economica, deoarece incalzirea de varf este necesara un numar relativ
redus de zile anual. Pornind din punctul B, incalzirea poate fi exclusiv asigurata de
pompa de caldura, utilizand caldura extrasa din apa geotermala.
Din punctul C poate fi asigurata in exclusivitate utilizand apa geotermala, cu oprirea
pompelor de caldura. Aceasta corespunde unei perioade de circa 52 zile anual.
O instalatie de preparare a apei calde de consum, cu ajutorul unei pompe de caldura
de 0,7 Gcal/h, utilizand caldura apelor geotermale, a fost conceputa de catre ICEMNERG
si functioneaza circa 8 000h/an cu urmatoarele performante:
- necesarul de caldura este asigurat in proportie de 31% de pompa de caldura, 42%
de cazanele de varf si 27% prin utilizarea directa a caldurii extrase din apele geotermale;
44
- economia anuala de combustibil conventional, obtinuta de instalatie, este de circa
142 t.
Studiile efectuate pana in prezent au aratat ca utilizarea pompelor de caldura mari,
in sistemele centralizate de alimentare cu caldura a cladirilor, este oportuna din punct de
vedere economic.
Pompele de caldura apa-apa, cu capacitati medii (100 000 – 500 000 kcal/h),
reprezinta o solutie competitiva in urmatoarele cazuri:
- incalzirea apei calde menajere cu caldura recuperata din apele calde evacuate
(geotermale, din industrie sau din instalatiile de canalizare) sau preluata de la apele de
suprafata sau freatice;
- incalzirea apei din bazinele de inot cu caldura recuperata din apele evacuate sau
preluata din apele de suprafata;
- incalzirea unor cladiri mari sau complexe de locuinte, cu caldura recuperata din
apele calde evacuate sau preluata din apele mezotermale de suprafata.
Pompa de caldura cu capacitati mari (2 – 10 Gcal/h) se foloseste pentru acoperirea
sarcinii termice de baza a unor sisteme centralizate de alimentare cu caldura, folosind ca
sursa apele calde evacuate din instalatiile industriale sau apele geotermale de potential
termic redus.
In toate cazurile in care pompa de caldura se aplica la un sistem in care distributia
caldurii se face prin intermediul apei calde, parametrii acesteia (debite si temperaturi)
trebuie stabiliti prin calcule de optimizare, care tin seama si de modificarea consumurilor
specifice ale pompei de caldura in functie de temperatura la care se livreaza caldura.
Utilizarea pompei de caldura apa-apa pentru incalzire se dovedeste economica si in
cazul folosirii caldurii extrase din apa marii. Un astfel de sistem functioneaza cu succes
in Norvegia pentru incalzirea localitatii Holmlia, cu 4 800 de locuitori, apa fiind extrasa
de la 50 m adancime dintr-un fiord indepartat. Pompa de caldura poate asigura circa 60%
din sarcina de incalzire, restul fiind acoperit de o centrala termica de varf.
Intr-o economie in care conservarea rezervelor de energie primara, prin utilizarea
lor eficienta si rationala, a devenit obiectivul principal al politicii energetice, pompa de
caldura reprezinta un mijloc eficient de recuperare si valorificare a caldurii deseu
considerata pana in prezent nevalorificabila.
45
Sursa de caldura deseu (apa rezultata dintr-un proces tehnologic), cu temperatura de
30—35°C, intra in evaporatorul pompei de caldura, unde cedeaza caldura agentului
frigorific care se vaporizeaza.
Vaporii de freon rezultati sunt comprimati in compresor si introdusi apoi in
condensator, unde incalzesc apa rece de la retea, preparand apa calda de consum.
In perioadele de consum scazut apa calda se poate acumula intr-un rezervor,
urmand a fi consumata in perioadele de crestere a consumului.
Aceste surse de caldura deseu pot fi folosite cu succes pentru prepararea apei calde
de consum sau incalzirea unor incinte cu ajutorul pompelor de caldura apa-apa, aducand
importante economii anuale de combustibil conventional.
De asemenea, pot fi concepute sisteme cu pompe de caldura pentru valorificarea
caldurii evacuate la condensatoarele turbinelor energetice cu abur. Apa de racire a
condensatoarelor turbinelor cu abur serveste ca sursa rece unei pompe de caldura si poate
fi apoi returnata la centrala sau deversata in raul care asigura racirea in circuit mixt sau
deschis a centralei electrice. Acest lucru se poate face, in cazul in care in zona respectiva
exista consumatori, in conditii mai avantajoase prin extinderea termoficarii (cu sau fara
modificari constructive ale turbinei), ceea ce limiteaza utilizarea pompei de caldura,
pentru valorificarea acestor categorii de resurse, la situatiile in care conditiile locale nu
permit livrarea unor cantitati suplimentare de caldura produsa in termoficare cu instalatii
cu parametri inalti.
O analiza pentru tara noastra a evidentiat posibilitatea instalarii unui numar de circa
1 400 agregate de pompa de caldura, insumand o putere totala instalata de circa 400
Gcal/h.
11.4 Pompa de caldura sol-apa cu colectori orizontali
Solul are proprietatea ca poate acumula si mentine energia solara pe o perioada mai
lunga de timp, ceea ce conduce la un nivel de temperatura al sursei de caldura
46
aproximativ constant de-a lungul întregului an si astfel la o functionare a pompelor de
caldura cu indice de putere momentan ridicat.
Preluarea de caldura din sol se realizeaza prin intermediul tuburilor din material
plastic cu suprafata mare montate în sol ca si în figura 2.3.Tuburile din material plastic
(PE) se amplaseaza paralel, în sol, la o adâncime de 1,2 - 1,5m si în functie de
diametrul ales al tubului, la o distanta de 0,5 - 0,7m astfel încât pe fiecare metru patrat de
suprafata de absorbtie sa fie montat 1,43 pâna la 2 m de tub. Lungimea tuburilor nu
trebuie sa depaseasca o lungime de 100m deoarece în caz contrar cresc pierderile de
presiune.
Capetele tuburilor sunt introduse în colectoare pe tur si pe retur, care trebuie
amplasate la un nivel mai ridicat decât tuburile, pentru a se putea aerisi întregul sistem de
tuburi. Fiecare tub se poate bloca separat.
Apa sarata se pompeaza prin tuburile din material plastic cu ajutorul unei pompe de
circulatie, astfel acesta preia caldura acumulata în sol. Prin intermediul pompei de caldura
se utilizeaza caldura pentru încalzirea încaperilor. Înghetarea temporara a solului în zona
din jurul tuburilor de obicei în a doua jumatate a perioadei de încalzire nu are efecte
secundare asupre functionarii instalatiei si asupra cresterii plantelor. Dar totusi nu trebuie
plantate plante cu radacini foarte adânci în jurul tuburilor pentru apa sarata.
47
Fig.2.3 Pompa de caldura sol-apa cu colectori orizontali
11.5 Pompa de caldura sol-apa cu sonde
Datorita suprafetei mari necesare pentru montarea colectorilor orizontali pentru sol,
este dificila realizarea chiar si în cazul locuintelor noi din motive de spatiu. În special în
orasele aglomerate, cu suprafete foarte mici spatiul este limitat. Din acest motiv în
prezent se monteaza cu preponderenta sonde verticale de caldura pentru sol, care se pot
introduce la adâncime de 50 pâna la 150m. O astfel de instalatie este prezentata în figura
2.5
În acele regiuni cu soluri ce pot fi usor forate sondele din polietilena sunt puse în
opera cu ajutorul unor instalatii de foraj cu spalare cu apa. Pentru aceasta se utilizeaza o
sapa de foraj cu diametrul de cel putin 90mm.
Apa este pompata cu mare presiune prin aceasta sapa de foraj si aduce la suprafata
materialul dislocat. Materialul dislocat este depozitat într-o groapa în apropierea
forajului. Apa în exces este preluata de la partea superioara a acestei gropi si reutilizata
în procesul de forare. În momentul atingerii adancimii de foraj prevazute se introduce în
gaura de foraj o sonda deja pregatita verificata la presiune si plina cu apa. Apoi sonda de
foraj este ridicata si demontata bucata cu bucata.
În final gaura forata se umple din nou cu pamânt. Ca material de umplere se poate
folosi betonitul. Daca în timpul forajului au fost perforate straturile impermeabile, acestea
trebuiesc refacute la umplere. Pentru procedeul mai sus amintit costurile estimate pentru
conditii geologice forabile sunt apreciate la 35-40$ pa fiecare metru de sonda. Aceste
costuri sunt însa puternic dependente de structura subsolului si de procedeul de foraj
utilizat.
Pentru aceste tipuri de instalatii este necesara o aprobare de la organele competente.
Numeroase instalatii cu pompe pentru sonde de caldura, pentru sol functioneaza de multi
ani fara a prezenta vreo defectiune si sunt preferate de utilizatori. Conform masuratorilor
48
efectuate în conditii hidrogeologice bune, mai ales în cazul în care exista apa
freatica curgatoare, este posibila functionarea monovalenta a pompelor de caldura fara
racirea pe timp îndelungat a solului.
Figura 2.5 Pompa de caldura sol-apa cu sonde
49
12. Stabilirea amplasamentului, a dimensiunilor şi a regimului termic al
obiectivului
Imobilul pentru care se va proiecta instalaţia de încălzire şi preparare a apei calde
menajere este o locuinţă unifamilială, în care locuiesc 4 persoane, situată în judeţul
Constanta.
Locuinţa este compusă din 3 camere, bucătărie, baie, hol o cămară şi o magazie,
având împreună o suprafaţă de 154 m2 . Imobilul nu dispune de nici un sistem de
încălzire.
Pereţii exteriori - reprezentaţi cu culoarea gri în schema următoare, vor avea
grosimea de 250 mm şi vor fi construiţi din cărămidă de construcţii cu goluri verticale
pentru zidării exterioare. Pe ambele feţe ale peretelui se aplică un strat de tencuială de 10
mm.
Pereţii interiori - reprezentaţi cu culoarea roşie, vor avea grosimea de 150 mm şi vor
fi construiţi din cărămidă de construcţii pentru pereţi despărţitori.
Podeaua - reprezentată cu galben, este realizată dintr-un strat de 30 cm de beton
peste care se montează termoizolaţie. Peste izolaţie se aplică un parchet de lemn de brad
cu o grosime de 4 cm.
Tavanul – realizat din beton armat, având o grosime de 20 cm este izolat cu
polistiren extrudat peste care se montează scânduri de brad cu o grosime de 3 cm. Pe
partea interioară se aplica un strat de tencuială cu o grosime de 1 cm.
Geamurile şi uşile care comunică cu exteriorul sunt realizate din termopan de tip
Low E.
Pentru reducerea pierderilor de căldură prin pereţii locuinţei se foloseşte o izolaţie
termică de calitate superioară a carei natură şi dimensiuni vor fi studiate în continuare în
50
acest proiect. Uzual, pentru izolarea termică a clădirilor se foloseşte poliestirenul, care
poate fi extrudat sau expandat şi vata minerală. Poliestirenul extrudat se utilizează în
special la realizarea aşa numitelor panouri sandwich folosite preponderent la construcţia
halelor industriale, a depozitelor frigorifice sau spaţiilor comerciale. Vata minerală şi
poliestirenul expandat sunt foarte asemănătoare din punct de vedere al proprietăţilor şi al
uşurinţei în utilizare. Deoarece poliestirenul este mai frecvent utilizat decât vata minerală,
pentru izolarea termică a locuinţei considerate se va folosit acest tip de material.
Izolaţia termică va fi amplasată în exteriorul incintei încălzite, eliminând astfel
pierderile de spaţiului locativ. Alt avantaj al montării izolaţiei termice pe partea
exterioară a peretelui este menţinerea temperaturii pereţilor la o valoare superioară
punctului de îngheţ, prevenind, astfel îngheţul anumitor posibile urme de apă care ar
putea pătrunde în pereti datorită diferenţelor de umiditate dintre aerul din incintă şi cel
din afară.
Amplasarea locuinţei în oraşul Constanţa determină valoarea temperaturii
exterioare care variază, în mare măsură, în funcţie de poziţia geografică şi de altitudine.
Poziţia gerografică a oraşului Constanţa este 44° 10.4′- latitudine N şi 28° 38.3′ -
longitudine E, care o situează în zona climatică VI şi zona eoliană I, iar altitudinea de
93m.
51
Fig. 12.3 Harta Romaniei impartita in zone climatice
Fig.12.4 Potentialul eolian al Romaniei
La efectuarea calculelor nu se va ţine cont de variaţia diurnă a temperaturii
exterioare care nu influenţează calculul de dimensionare a instalaţiei termice pentru
încalzire deoarece acesta va fi efectuat pentru situaţia cea mai dificilă care poate apărea în
funcţionarea instalaţiei.
Astfel calculul se va efectua folosind temperatura conveţională de calcul,
recomandată, care are valoarea de -12 °C şi care reprezintă valoarea medie multianuală a
temperaturilor scăzute înregistrate în zona climatica aleasă. În timpul anului, ţara noastră,
cele mai scăzute valori ale temperaturii exterioare se înregistrează în luna ianuarie. În
timpul unei zile, cea mai scăzută valoare a temperaturii se înregistrează dimineaţa înainte
de a răsări soarele.
În aceasta ordine de idei calculele care se vor efectua în vederea dimensionării
instalaţiei termice pentru încălzirea locuinţei vor fi efectuate presupunând că afară este
noapte. Presupunînd că afară este noapte influenţa radiaţiei solare nu va interveni în
52
efectuarea calculelor, deoarece este o acţiune vine în ajutorul procesului de încălzire, la
fel ca şi raportul de căldură datorat funcţionării aparatelor electrice, care se consideră a fi
oprite pe timpul nopţii.
În incinta încălzită vor locui cele patru persoane, care aduc un aport de căldură, care
influenţează calculele efectuate pentru dimensionarea instalaţiei termice, în sensul
diminuării necesarului de căldură.
În vederea efectuării calculelor nu se va folosi temperatura minimă, înregistrată în
decursul anilor precedenţi, deoarece această valoare a temperaturii apare destul de rar,
odată la câţiva zeci de ani, folosirea ei ar duce la o supradimensionare nedorită a
instalaţiei, care oricum va suferi anumite supradimensionări, necesare, care vor permite
asigurarea necesarului de comfort termic şi în cazurile extreme.
Temperatura interioară a fost aleasă comform DIN 4701 care prevede o valoare a
temperaturii de 20 °C pentru camere de locuit şi odihnă şi 24 °C pentru camere de baie.
Valorile indicate în normativul ASR, în funcţie de tipul de activitate, sunt 19 °C
pentru activitate sezând, 17 °C pentru activitate în picioare, 20 °C in birouri şi 24 °C în
băi si dormitoare. Pentru efectuarea calculelor se foloseşte temperatura de 22 °C pentru
toate încăperile.
Dimensiunile camerelor
Înălţimea imobilului este de 2,5 m.
53
Camera I:
- lungime 4,5 m
- lăţime 3,9 m
-geamuri :-peretele sudic 2x1,2 m
- peretele vestic 1,5x1,2 m
Camera II:
- lungime 5,5 m
- lăţime 4,5 m
- geamuri :- peretele sudic 2x1,2 m
- peretele estic 2,5x1,2 m
Camera III:
- lungime 5,5 m
- lăţime 4,5 m
- geamuri :- peretele estic 2,5x1,2 m
Hol:
- lungime 11 m
- lăţime 1,6 şi 2,6 m
- uşă perete sudic 1,2x2 m
- uşă perete nordic 1x2 m
Bucătărie:
- lungime 5,5 m
- lăţime 3,7 m
- geamuri :- peretele vestic 1,5x1,2 m
Cămară:
- lungime 3 m
- lăţime 2,4 m
- geamuri :- peretele vestic 1x1m
- uşă perete sudic 0,8x2 m
Magazie:
- lungime 5,5 m
- lăţime 4m
- geamuri :- peretele nordic 2x1,2 m
- uşa perete estic 1x2 m
Baie:
- lungime 3 m
- lăţime 2,8 m
54
Schema locuinţei este reprezentată în figura 12.5(figura 12.5.a vedere frontala,
figura 12.5.b vedere din spate, figura 12.5.c dimensiunile casei ).
55
Figura 12.5.a Vedere frontală
56
Figura 12.5.b Vedere din spate
13. ANALIZA TERMOENERGETICĂ A LOCUINŢEI SI DETERMINAREA NECESARULUI DE CALDURA
13.1. Noţiuni introductive
În continuare este prezentată o aplicaţie software interactivă, destinată calculului
necesarului de căldură al locuinţelor unifamiliale, bazată pe tendinţele actuale existente
pe plan mondial în acest domeniu. Sunt prezentate de asemenea şi câteva rezultate ale
unor studii care au fost realizate cu ajutorul acestui program.
Calculele şi analizele care pot fi efectuate cu ajutorul programului menţionat, sunt
deosebit de utile în contextul interesului actual asupra subiectului, corelat şi cu
posibilitatea de utilizare a energiilor regenerabile, ca sursă de energie termică pentru
încălzire şi prepararea apei calde menajere.
57
În România, cea mai mare parte a clădirilor pentru locuit, au fost realizate fără
preocupări semnificative pentru calitatea energetică a acestora, dar în ultimii ani au fost
introduse reglementări precise în acest domeniu şi se observă o preocupare tot mai atentă
pentru aspectele legate de izolarea termică şi de soluţiile eficiente pentru producerea
energiei termice.
În vederea atingerii obiectivelor acestui studiu de analiză termoenergetică a
locuinţelor unifamiliale, necesarul de căldură a fost parametrizat, pentru a putea fi
identificată influenţa fiecărui factor asupra necesarului de căldură şi chiar asupra
costurilor.
Elaborarea modelului matematic, a fost realizată cu scopul de a permite
minimizarea necesarului de sarcină termică a locuinţelor, parametru care dacă este corect
determinat, permite şi selectarea corectă a echipamentului de încălzire.
Algoritmul de calcul, a fost implementat cu ajutorul limbajului PHP, într-o aplicaţie
client-server şi a fost testat într-un studiu de caz, cu scopul obţinerii unor concluzii
relevante, privind influenţa unor parametrii asupra necesarului de căldură.
13.2. Modelul matematic
Necesarul de căldură al locuinţelor Q, poate fi determinat prin însumarea celor trei
componente majore ale acestuia:
Q = Q1 + Q2 + Q3 (1)unde:
- Q1 este sarcina sau puterea termică transmisă prin anvelopa clădirii;
- Q2 este sarcina sau puterea termică datorată ventilării sau aerisirii;
- Q3 este sarcina sau puterea termică pentru prepararea apei calde menajere.
Sarcina sau puterea termică transmisă prin anvelopă, prezintă la rândul ei mai multe
componente, care pot fi însumate:
Q1 = Q1.1 + Q1.2 + Q1.3 + Q1.4 + Q1.5 (2)
unde:
58
- Q1.1 este sarcina sau puterea termică transmisă prin pereţi;
- Q1.2 este sarcina sau puterea termică transmisă prin tavan;
- Q1.3 este sarcina sau puterea termică transmisă prin ferestre;
- Q1.4 este sarcina sau puterea termică transmisă prin podea;
- Q1.5 este sarcina sau puterea termică transmisă prin podeaua pivniţei.
Sarcinile termice transmise prin elementele anvelopei clădirii Q1.i , se determină cu
relaţii de calcul de tipul:
Q1.i = ki · Si (ti - te) (3)
unde:
- ki reprezintă coeficientul global de transfer termic prin elementul i al anvelopei
- Si reprezintă suprafaţa elementului i al anvelopei;
- ti reprezintă temperatura în interiorul locuinţei;
- te reprezintă temperatura exterioară.
Coeficientul global de transfer termic, se determină cu relaţii de tipul:
ki
(4)
unde:
- αi este coeficientul global de convecţie între elementul de construcţie şi aerul din
interiorul clădirii, iar pentru această mărime s-a considerat valoarea 8W/m2K, ceea ce
corespunde convecţiei naturale;
- αe este coeficientul global de convecţie între elementul de construcţie şi aerul din
exteriorul clădirii, iar pentru această mărime s-a considerat valoarea 25W/m2K, ceea ce
corespunde celor mai nefavorabile condiţiii;
- δ [m] este grosimea fiecărui strat component al elementului şi al anvelopei;
59
- λ [W/mK] este conductivitatea fiecărui material component al elementului şi al
anvelopei.
În tabelele alăturate, sunt prezentate valorile conductivităţii termice pentru câteva
materiale uzuale, precum şi valori ale coeficientului global de transfer termic, pentru
câteva tipuri de ferestre, valori care au fost implementate şi în programul de calcul:
Valori ale conductivităţii termice, pentru câteva materiale de
construcţie uzuale
Valori ale conductivităţii termice, pentru câteva materiale
izolatoare uzuale
Valori ale coeficientului global de transfer termic,
pentru câteva tipuri de ferestre
60
* Datorită neetanşeităţilor, pentru aceste tipuri de ferestre, în practică valorile
coeficientului global de transfer termic, sunt şi mai ridicate.
Sarcina sau puterea termică datorată ventilării sau aerisirii, poate fi calculată în
functie de sarcina termică transmisă prin anvelopă, cu relaţia:
Q2 = ε · Q1 (5)
unde ε, reprezintă un coeficient de proporţionalitate, ale cărui valori pot fi
considerate:
- ε = 0,7 pentru clădiri fără izolaţie termică;
- ε = 0,8 pentru clădiri cu izolaţie minimă;
- ε = 0,9 pentru clădiri cu izolaţie bună;
- ε = 1 pentru clădiri cu izolaţie foarte performantă (case cu consum, energetic
redus, sau case pasive);
Sarcina sau puterea termică pentru prepararea apei calde menajere, depinde de
numărul de persoane care utilizează locuinţa:
Q3 = n · ρ · V · cp · (twe - twi) /τ (6)
unde:
- n este numărul de persoane;
- ρ [kg/m3] este densitatea apei;
- V [m3] este consumul zilnic normat de apă, pentru o persoană;
- cp [kJ/kgK] este căldura specifică a apei;
- twe [°C] este temperatura până la care trebuie încălzită apa;
61
- twi [°C] este temperatura apei reci;
- τ [s] este durata perioadei în care este încălzită apa.
13.3. Programul de calcul
Aplicaţia software care poate să asiste eficient utilizatorii, în activitatea de analiză
termoenergetică a locuinţelor unifamiliale, respectiv în alegerea celor mai bune soluţii şi
materiale pentru izolare termică, este disponibil pe internet, la adresa:
http://l.academicdirect.ro/Engineering/buildings/ro/
Pentru realizarea aplicaţiei, au fost concepute şi realizate patru programe originale,
implementate în limbajul PHP.
Componenta form.php, prezentată în figura 1.32, permite utilizatorului,
introducerea parametrilor, referitori la mediul ambiant şi la spaţiul interior, referitori la
elementele constructive ale anvelopei clădirii, etc.
62
Fig. 13.3.1 Interfaţa principală a programului
Componenta func.php, conţine 25 de funcţii de calcul, cu ajutorul cărora a fost
implementat algoritmul de calcul prezentat. Aceste funcţii permit atât calculul
componentelor sarcinii sau puterii termice corespunzătoare fiecărui element al anvelopei,
în parte, cât şi sarcina termică, sau puterea termică totală.
În tabelul 13.3.1 sunt reprezentate datele intitiale care au fost introduse in interfata
principala a programului, reprezentanf faza initiala in procesul de calcul al necesarului de
caldura pentru locuinta noastra.
Parametru Valoare
Temp_int 22Temp_ext -12Temp_sol -2
Temp_subsol 15Temp_apa_ext 5
Temp_apa_calda 40Timp_acm 22Vol_acm 50Nr_pers 4
Perimetru 52.2
63
Inaltime 2.5Supraf_podea 154Beci_suprafata 0Temp_acoperis -7Perete_stru_rez 0.9
Perete_grosime_strat_rezist 25
Perete_grosime_strat_izol 15Perete_mat_izol 0.035Podea_stru_rez 1.45
Podea_grosime_strat_rezist 30
Podea_grosime_strat_izol 15Podea_mat_izol 0.035Tavan_stru_rez 1.45
Tavan_grosime_strat_rezist 20
Tavan_grosime_strat_izol 15Tavan_mat_izol 0.035Geam_suprafata 24.2
Geam_rama 0
Tab. 13.3.1 Datele initiale
Dupa introducerea parametrilor initiali programul de calcul trece la pasul doi, si
anume afisarea in prima faza a datelor initiale introduse de utilizator, urmand apoi
afisarea rezultatelor calculate conform algoritmului de calcul evidentiat mai sus,
evidentiate si in figura 13.3.2
Rezultatele programului, permit atât evidenţierea influenţelor unui singur
parametru, asupra componenteleor sarcinilor termice, cât şi influenţa combinată a câte
doi parametri, asupra acestor componente.
64
Fig. 13.3.2 Afisarea rezultatelor
În figura 13.3.3, sunt prezentate pierderile de sarcină termică, corespunzătoare unor
diferite tipuri de ferestre, printre care si tipul nostru de fereastra Termopan Low E,
oferindu-ne posibilitatea de a avea o vedere de ansamblu asupra calitatii acestui tip de
termopan.
Observand figura mai sus mentionata putem vedea ca fereastra noastra se afla
intr-un punct de echilibru privitor la raportul calitate/pret, existand posibilati chiar de
imbunatatire factorului de pierdere in cazul ferestrelor tip Termopan Triplu si Tripul Kr.
Fig. 13.3.3. Pierderile de sarcină termică, corespunzătoare unor diferite
tipuri de ferestre
65
În figura 13.3.5, sunt prezentate grafic, influenţele combinate a câte doi parametri,
asupra unor diverse componente ale sarcinii termice.
Figura 13.3.5, prezintă influenţa combinată a grosimii structurii de rezistenţă şi a
conductivităţii termice a acestuia, asupra pierderii de sarcina termică prin pereţi.
66
Figura 13.3.6, prezintă influenţa combinată a tipului de material de rezistenta ales,
asupra fluxului de caldura pierdut prin transmisie, in cazul nostru avem ca material de
rezistenta pentru pereti caramida si betonul pentru tavan si podea.
Fig. 13.3.6. Influenţa combinată a tipul de material de rezistenta ales
Figura 13.3.7, prezintă influenţa combinată a numărului de persoane şi a cantităţii
de apă caldă necesară pe persoană, asupra puterii termice necesare preparării apei calde
menajere reprezentata in procente.
67
68
13.4. Discuţii şi concluzii
Programul de calcul prezentat, cu ajutorul unei interfeţe simple, destinate
utilizatorilor fără experienţă în domeniul calculelor termice, permite acestora să efectueze
studii utile, în vederea alegerii elementelor componente ale anvelopei clădirii, astfel încât
aceasta să satisfacă criteriile dorite.
Aplicaţia software prezentată, poate fi utilizată pentru efectuarea cu succes a unor
analize termoenergetice a locuinţelor unifamiliale, prin calcularea sarcinii termice sau a
puterii termice necesare pentru încălzire şi prepararea apei calde menajere, precum şi prin
evidenţierea influenţei unor parametrii importanţi, asupra necesarului de căldură.
69
14. STUDIU TEHNICO-ECONOMIC ASUPRA POMPELOR DE CALDURA
14.1. Noţiuni introductive
În continuare sunt prezentate câteva informaţii relevante privind principiul de
funcţionare a pompelor de căldură şi un studiu, realizat cu ajutorul unui program original
de calcul,utilizat pentru analiza influenţei condiţiilor de lucru, asupra performanţelor
pompelor de căldură.
Studiul include şi câteva consideraţii relevante privind condiţiile de mediu din
România şi potenţialul energiei geotermale, ca importantă sursă de energie geotermală, în
cederea utilizării acesteia in domeniul încălzirii caselor familiale cu ajutorul pompelor de
căldură. Numai aceste echipamente pot să ridice potenţialul termic al energiei geoternale
disponibile la nivelul suprafeţei Pământului, până la un nivel utilizabil în vederea
încălzirii şi preparării apei calde menajere.
Programul de calcul original, a fost scris în limbajul Engineering Equation Solver,
acest mediu de programare, permite realizarea de programe de calcul, adaptate pentru
evaluarea influenţei unui număr mare de parametrii, asupra performanţelor pompelor de
căldură. Între parametrii cei mai importanţi, care au fost studiaţi, pot fi menţionaţi:
amplasamentul pompelor de căldură, tipul pompelor de căldură, calitatea izolaţiei
locuinţei, tipul aplicaţiilor în care sunt utilizate pompele de căldură.
Unul din principalele motive pentru care a fost realizat acest studiu, este că cei mai
mulţi furnizori de pompe de căldură, nu indică în cataloagele comerciale ale acestor
echipamente, în ce condiţii sunt calculate eficienţele indicate şi în general există o lipsă
de informaţii în ceea ce priveşte eficienţa reală a pompelor de căldură, în diferite condiţii
de lucru.
Din punct de vedere termodinamic, energia geotermală, poate fi clasificată în două
categorii:
70
- De potenţial termic ridicat;
- De potenţial termic scăzut.
Se poate spune că 99% din interiorul pământului, se găseşte la peste 1000°C, iar
99% din rest,se găseşte la peste 100°C.
În aplicaţiile casnice de încălzire, se utilizează energia geotermală de la suprafaţa
Pământului, disponibilă la temperaturi scăzute şi variabile, aşa cum se arată în figura
14.1.
Fig.14.1 . Variaţie tipică a temperaturii, la suprafaţa Pământului
Pentru a se ridica nivelul de temperatură al energiei geotermale, disponibile la
suprafaţa solului, în mod uzual, se utilizează pompe de căldură, având principalele
componente şi diagrama funcţională, prezentate în figura 14.2.
71
Fig. 14.2. Principalele componente şi diagrama funcţională a unei pompe de căldură
Pompele de căldură tipice, utilizează ca surse de căldură, energia geotermală din
sol, din apă sau din aer şi furnizează căldură sursei calde, reprezentate de apă sau aer. În
acest context, energia termică a tuturor surselor reci, inclusiv apă sau aer, este considerată
de asemenea, energie geotermală.
Temperaturile la care este disponibilă energia geotermală diferă de la o locaţie la
alta şi influenţează performanţele pompelor de căldură.
În tabelul 14,1, sunt prezentate, valorile temperaturilor medii ale aerului, în diferite
localităţi din România.
72
Tab. 14.1. Valori medii ale temperaturilor, în câteva localităţi din Romania
Temperaturile indicate în tabel, sunt implementate în programe de dimensionare ale
companiilor Copeland (care citează baza de date Meteosat) şi Weishaupt. Valorile acestor
temperaturi influenţează în mod direct valorile temperaturilor de vaporizare ale agentului
frigorific din pompele de căldură de tip aer-aer şi aer-apă. Temperaturile solului şi ale
apelor freatice, sunt mai puţin dependente de locul în care se amplasasează pompele de
căldură, dar sunt de asemenea importante.
Destinaţia pompelor de căldură, determină valorile temperaturilor la care este
livrată energia termică utilă a pompelor de căldură. În tabelul 14.2 sunt indicate câteva
valori tipice pentru temperaturile la care se livrează energia termică utilă, în funcţie de
destinaţia pompelor de căldură.
Tab. 14.2 Temperaturi tipice la care pompele de căldură furnizează căldura utilă
73
Temperaturile de condensare ale agentului frigorific din pompele de căldură, sunt
influenţate de destinaţia acestora.
În principiu, performanţele pompelor de căldură, sunt determinate de diferenţa
dintre temperaturile de condensare şi de vaporizare ale agentului frigorific.
Un parametru important al pompelor de căldură, în special pentru aplicaţii casnice,
este reprezentat de sarcina termică utilă, sau puterea termică utilă. Acest parametru este
determinant pentru investiţia în sistemul de încălzire cu energie geotermală.
Un rol determinant, pentru reducerea sarcinii termice, sau puterii termice a
pompelor de căldură, este prezentat de izolaţia termică a clădirii. Practic, pompele de
căldură se utilizează întotdeauna, în combinaţie cu izolaţii termice deosebit de eficiente.
În figura 14.3, sunt prezentate rezultatele obţinute pentru cazul noastru si anume, o
casa unifamilila tipica, cu suprafaţa de 154 m2, realizată din caramida cu grosimea de
25cm, cu izolatie de Poliester extrudat de 15cm grosime si fundatie de beton de 30cm.
În tabelul alăturat, sunt prezentate caracteristicile principale ale locuinţei analizate.
Parametru Valoare
Temperatura interioara 22°CTemperatura exterioara -12° CNr persoane 4Perimetru 52.2 mInaltime 2.5 mSuprafata ferestrelor 24,2 mTipul ferestrelor Termopan LowE
Pentru a se studia influenţa unor parametri importanţi, asupra performanţelor
pompelor de căldură, a fost scris un program de calcul original, utilizând mediul de
programare Engineering Equation Solver (EES), considerat lider mondial în domeniul
calculelor termice. http://www.fchart.com/ees/
74
Principalele funcţii ale programulului original de calcul sunt:
- Selecţia informaţiilor despre pompa de căldură:
- Destinaţie;
- Tip;
- Locaţie;
- Calcule:
- Ciclul de funcţionare al pompei de căldură;
- Eficienţa pompei de căldură.
A fost studiată influenţa următorilor parametri:
- Tipul pompei de căldură;
- Destinaţia pompei de căldură;
- Agentul frigorific.
Au fost considerate următoarele tipuri de pompe de căldură:
- Sol-apă cu colectori orizontali;
- Sol-apă cu colectori verticali;
- Sol-apă cu vaporizare directă în sol;
- Apă-apă;
- Aer-apă.
Au fost considerate următoarele destinaţii ale pompelor de căldură:
- Încălzire în podea;
- Încălzire cu ventilo-convectoare;
- Preparare apă caldă menajeră iarna;
- Preparare apă caldă menajeră vara.
Au fost considerate următorii agenţi frigorifici:
- R407C;
- R290 (Propan);
- R404A.
75
14.2. Rezultate şi discuţii
Singurul parametru de performanţă analizat, a fost eficienţa pompelor de căldură,
calculată ca raport între sarcina termică sau puterea termică utilă şi puterea electrică
absorbită.
În figura 14.3, este prezentată influenţa tipului pompei de căldură asupra eficienţei
pompei de căldură, utilizată pentru încălzirea în pardosea, cu R407C.
Fig. 14.3. Influenţa tipului pompei de căldură asupra eficienţei
1 - sol-apă cu colectori orizontali; 2 - sol-apă cu colectori verticali;
3 - sol-apă cu vaporizare directă; 4 – apă-apă; 5 – aer-apă
Se poate observa că cea mai ridicată eficienţă corespunde pompei de căldură
apă-apă. Pompa de căldură cu colectori verticali şi cea cu vaporizare directă prezintă
valori similare ale eficienţei. Între ultimele două tipuri de pompe de căldură, prima
prezintă avantajul unei exploatări şi întreţineri mai uşoare, iar a doua, prezintă avantajul
unor costuri de instalare mai reduse.
În figura 14.4 este prezentată influenţa destinaţiei pompei de căldură, asupra
eficienţei, pentru pompă de căldură sol- apa cu colectori verticali şi R407C.
76
Fig. 14.4. Influenţa destinaţiei pompei de căldură, asupra eficienţei
1 – încălzire în podea; 2 – încălzire cu ventiloconvectoare;
3 – preparare apă caldă menajeră iarna, 4 - preparare apă caldă menajeră vara
Cea mai ridicată eficienţă, se obţine pentru încălzire în podea. Valori similare se vor
obţine pentru încălzirea piscinelor, care prezintă condiţii de funcţionare identice cu
încălzirea în podea. În aceste condiţii, încălzirea locuintelor, reprezintă una dintre cele
mai interesante aplicaţii ale pompelor de căldură sol- apa cu colectori care prezintă valori
cu adevărat ridicate ale eficienţei.
În figura 14.5 este prezentată influenţa agentului frigorific, asupra eficienţei
pompelor de căldură, pentru pompă de căldură cu colectori verticali, utilizată pentru
încălzirea în pardosea.
Fig. 14.5. Influenţa agentului frigorific, asupra eficienţei
77
Cu toate că R290 (propan) asigură cea mai mare eficienţă frigorifică, acest agent
frigorific este foarte inflamabil şi în numeroase ţări din UE, dar nu şi în SUA, este
interzisă amplasarea în interiorul clădirilor, a echipamentelor care conţin cantităţi
semnificative de propan. Aceste restricţii diminuează popularitatea acestui agent
frigorific, care tinde totuşi să devină tot mai utilizat în ultimii ani.
În figura 14.6 este prezentată influenţa combinată a destinaţiei şi tipului pompei de
căldură, asupra eficienţei.
Fig. 14.6. Influenţa combinată a destinaţiei şi tipului pompei de căldură, asupra
eficienţei
1 – sol-apă cu colectori orizontali; 2 - sol-apă cu colectori verticali;
3 – sol-apă cu vaporizare directă; 4 – apă-apă; 5 – aer-apă;
a – încălzire în podea; b – încălzire cu ventiloconvectoare;
c – preparare apă caldă menajeră iarna; d – preparare apă caldă menajeră vara
Se poate observa că în cazul pompelor de căldură aer-apă, eficienţa preparării apei
calde vara, este mai mare decât iarna. În cazul celorlalte tipuri de pompe de căldură, nu
există diferenţe pentru această destinaţie a pompelor de căldură, deoarece temperatura
solului, şi temperatura apei freatice, se menţin relativ constante, tot anul.
În figura 3.95 este prezentată influenţa agentului frigorific, asupra eficienţei, pentru
câteva tipuri de pompe de căldură.
78
Fig. 3.95. Influenţa combinată a agentului frigorific şi a tipului pompei de căldură,
asupra eficienţei
a – sol-apă cu colectori verticali; b – apă-apă, c – aer-apă
14.3. Concluzii
Amplasamentul sau locaţia pompelor de căldură, destinaţia acestora, tipul şi agentul
frigorific, reprezintă câţiva parametri foarte importanţi, care prezintă influenţe
semnificative asupra eficienţei pompelor de căldură.
Agentul frigorific, este ales de producător, dar ceilalţi parametri reprezintă
condiţiile de lucru ale pompelor de căldură şi influenţa acestora este determinantă asupra
eficienţei cu care este utilizată energia geotermală în pompele de căldură.
În urma calculelor se observă că freonii R290 şi R404A conduc la o
eficienta mai mare, dar R290 (propan) ca agent frigorific este foarte inflamabil şi
poate fi utilizat numai în condiţii foarte restrictive, de exemplu pompele de căldură cu
acest agent, nu pot fi amplasate în interiorul casei.
În continuare am optat pentru R 407-C deoarece debitul aspirat de
compresor este mai mic ceea ce duce la scăderea dimensiunilor
compresorului, implicit la scăderea preţului de achiziţie a acestuia.
Avantaj al freonului R407C : este ecologic şi nu este inflamabil.
79
Pompa aer-sol datorită eficienţei termice scăzute nu este
recomandată deoarece duce la preţuri de exploatare ridicate.
Din punct de vedere al eficienţei termice cea mai bună soluţie este
varianta apă-apă, dar această variantă presupune existenţa unei pânze
de apă freatice cu un debit ridicat, vaporizatoarele să fie din oţei
inoxidabil. În plus utilizarea apei freatice trebuie aprobată de Regia
Apelor.
Varianta sol-apă cu colectori orizontali necesită o suprafaţă mare a
colectorului în jur de 400 m² şi are şi o eficienţă termică mai scăzută.
Varianta sol-apă cu colectori verticali este cea mai recomandată variantă deoarece
are o eficienţă ridicată (apropiată de eficienţa variantei apă-apă), nu necesită o suprafaţă
mare de teren şi are cea mai bună fiabilitate.
15. Proiectarea instalaţiei şi alegerea aparatelor componente
15.1 Alegerea efectiva a modelului de pompa de caldura
Aparatele componente au fost alese având în vedere rezultatele obtinute în urma
calculelor efectuate în capitolele precedente.
Pentru furnizarea energiei termice în instalatie s-a ales pompa de caldura Vitocal
300 Tip 108 model sol-apa cu colectori verticali, produsa de firma germană Viessmann,
care funcţionează la o putere maxima de 8,3 kW, astfel aceasta va putea acoperii
necesarul de căldură al locuinţei considerate, care este de 7,283 kW.
Fig. 15.1
Pompa de
caldura
80
Prin eficienta lor si prin dimensiunile compacte, pompele de caldura Vitocal 300
sunt concepute special pentru locuinte unifamiliale. Prin constructia compacta necesita un
spatiu mic de amplasare
Inima pompei de caldura Vitocal 300 consta in compresorul "Compliant Scroll".
Acesta se remarca atat prin fiabilitate si siguranta in exploatare, cat si prin modul
silentios de functionare. Aceasta proprietate confera aparatului un plus de confort, chiar si
in cazul in care este amplasat in interiorul locuintei. Prin performantele sale tehnice,
compresorul Compliant Scroll functioneaza cu mare eficienta la o temperatura a
agentului termic de pana la 55°C pe tur.
Fig 15.2 Sectiune compresor Compliant Scroll
Sistemul de automatizare digital CD60 al pompei de caldura permite reglajul simplu
si confortabil prin dialogul de baza de meniuri afisate pe un display luminos.Sistemul de
autodiagnoza integrat va ajuta sa urmariti parametrii instalatiei de incalzire si sa
identificati cu usurinta eventualele disfunctionalitati ale pompei de caldura.
81
Functia de racire „Natural Cooling“
In zilele fierbinti ale anului puteti sa folositi pompa de caldura pentru racirea
cladirii prin intermediul functiei integrate "natural cooling". Prin instalarea unui
echipament suplimentar puteti beneficia de o instalatie de racire bazata pe transferul
termic cu solul sau apa din panza freatica.
Avantaje la prima vedere:
La functionarea in regim de incalzire monovalent, asigura incalzirea si prepararea
de apa calda menajera
Siguranta ridicata in exploatare, fiabilitate si functionare silentioasa datorita
compresorului Compliant Scroll complet ermetizat si cu dubla amortizare a vibratiilor
Recomandat pentru temperaturi scazute ale sistemului de incalzire, de exemplu
incalzirea prin pardoseala
Utilizabila pe tot parcursul anului ca sistem de incalzire
Pompe de caldura cu automatizare digitala, comandata de temperatura exterioara,
cu functie de racire integrata. Comanda cu meniuri cu afisare textuala si sistem de
diagnosticare integrat
Urmatoarele module sunt integrate: pompa de circulatie pentru circuitul de sol,
pompa de circulatie pentru circuitul de incalzire, incalzire adaugata cu rezistenta electrica
( 9 kW), grup de siguranta incorporat cu supapa de siguranta, manometru si aerisitor
82
Fig 15.3 Elemente componente
83
Tab 15.1. Date tehnice
15.2. Alegerea boilerului pentru prepararea apei calde
Calculul de dimensionare a boilerelor pentru prepararea apei calde menajere, are ca
scop determinarea volumului acestora, cel puţin egal cu volumul zilnic necesar de apă
caldă.
În tabelele alăturate, conforme cu normele internaţionale, se observă că în cazul
preparării apei calde menajere la temperatura de 40°C cantitatea de apă trebuie să fie mai
mare decât în cazul preparării apei la 60°C, pentru a acoperi integral, consumul zilnic.
Consumuri de apă caldă menajeră în locuinţe
Consumuri de apă caldă menajeră în unităţi hoteliere, pensiuni şi cămine
Pentru dimensionarea orientativă, din punct de vedere termic, a sistemului de
preparare a apei calde menajere pentru locuinţe, în cazul utilizării surselor regenerabile
de energie, se poate considera un consum normal de apă caldă de 50 l/pers/zi, la
temperatura de 40°C. În cazul în care beneficiarul estimează că va depăşi consumul
84
normal de apă caldă indicat în tabel, se va ţine seama de acest lucru şi se va dimensiona
boilerul pentru consumul de apă indicat de beneficiar.
Volumul minim al boilerului Vbmin, se poate calcula cu relaţia:
unde:
- n – numărul de persoane;
- Czn – consumul zilnic normat pe persoană, luat în considerare;
- tacm – temperatura apei calde menajere la punctul de consum;
- tar – temperatura apei reci la intrarea în boiler;
- tb – temperatura apei calde din boiler
În cazul utilizării energiei solare, sau energiei geotermale (pompe de căldură)
boilerele se vor supradimensiona faţă de volumul minim de apă, cu un factor de
supradimensionare f=1,5…2. În cazul preparării apei calde menajere la 40°C, acestă
supradimensionare are scopul ca în timpul utilizării apei calde, să nu fie sesizată o
scădere progresivă evidentă a temperaturii apei, datorate pătrunderii treptate în boiler a
apei reci care completează apa caldă consumată. În cazul boilerelor cu volumul minim
calculat după relaţia matematică prezentată anterior, pe măsură ce s-ar consuma apa caldă
din boiler şi aceasta ar fi înlocuită de apă rece, s-ar sesiza scăderea treptată a temperaturii
apei calde, ceea ce ar crea un fenomen de disconfort evident în cazul utilizării unor
cantităţi mai mari de apă caldă, la un moment dat (ex. în timpul duşului).
Tinând seama de cele menţionate anterior, volumul boilerului Vb, se va calcula cu
relaţia:
unde:
- f = 1,5…2 în cazul utilizării energiei solare sau a pompelor de căldură;
85
În continuare va fi analizat cazul particular de dimensionare a boilerului pentru apă
caldă menajeră utilizand ca sursa regenerabila pompa de caldura, considerând o locuinţă
cu 4 persoane, un consum normal de apă caldă Czn=50 l/pers/zi .
Volumul boilerului, considerând temperatura apei din boiler tb=40°C şi factorul de
supraîncălzire f=1,5…2, va fi:
În acest caz se va alege un boiler de 300…400 l, prevăzut cu o serpentină racordată
la pompa de căldură şi o rezistenţă electrică pentru ridicarea zilnică a temperaturii până la
60°C. Astfel conform calculelor de mai sus am ales un acumulator de aget termic
Vitocell 100-E Tip SVP: 400, cu o capacitate maxima de 400l, produs de firma germană
Viessmann, indicat in special in combinatie pompe de caldura.
Ca avantaj, prezinta pierderi reduse de caldura datorita termoizolatiei de mare
eficienta de jur imprejur (fara freon).
86
Fig 15.4 Desenul de executie al boilerului
15.3 Alegerea sistemului de ventilatie cu recuperarea caldurii
Vitovent 300 recircula continuu aerul si indeparteaza mirosurile neplacute din
încapere cu un debit de pana la 180m3/h . Se poate comanda aerisirea confortabil
printr-un termostat de camera.
Fig 15.5 Termostat reglabil
Schimbatorul de caldura recupereaza aproximativ 90% din caldura aerului
evacuat si incalzeste astfel aerul proaspat absorbit in cladire. Dintr-un kWh de energie
electrica utilizat se recupereaza a 15 parte de energie.
Funtia de comutare pe racire pe timpul noptii
Vitovent 300 decide singur cand trebuie sa recircule caldura din incapere. Daca de
exemplu pe timpul verii este mai cald inauntru decat afara, se deschide ventilul
Bypass si da drumul aerului rece in incapere.
Alergicii pot respira
Aerul este filtrat printr-un sistem cu filtru de polen. Astfel pot respira fara probleme si
persoanele alergice.
87
Avantaje la prima vedere:
Nivelul constant de umiditate din incapere impiedica aparitia igrasiei
Filtrarea aerului – important pentru alergici
Economisirea costurilor de incalzire
Indepartarea mirosurilor din incapere
Functie de racire pe timp de noapte
Ferestre inchise - mai multa siguranta impotriva spargerilor si a
zgomotului
a) b)
Fig 15.6 Vitovent 300
a) Vedere in sectiune b) Vedere de ansamblu
88
15.4 Alegerea sondelor verticale
Dimensionarea sondelor este puternic influenţată de tipul solului, de prezenţa apei
freatice, modul de dispunere a straturilor de roci, de compoziţia lui chimică. Pentru o
dimensionare preliminară se consideră o putere de extracţie a căldurii pe metru liniar de
sondă de 50W, o dimensionare exactă putându-se face doar la faţa locului de către echipa
de forare.
Din tabelul 15.2 pentru un necesar de caldura de 7,2 KW s-au ales două sonde de
75m din tub de politilen de 32x3 mm.
Tabelul 15.2 Dimensionarea sondelor
Putere de racire Qk(kW)
Sonde pentru sol DN 32x3 (tub dublu cu profil U), numar x
lungime (m)3.70 1 x 755.00 1 x 1006.50 2 x 657.50 2 x 758.40 2 x 8510.00 2 x 10011.00 3 x 7512.70 3 x 9016.80 4 x 9025.40 5 x 100
89
16. Norme specifice de securitate a muncii pentru lucrări de instalaţii de încălzire
Pentru executarea lucrărilor efectuate în vederea realizării instalaţiei termice
aferente locuinţei unifamiliale considerate este necesară respectarea normelor specifice
de securitate a muncii pentru lucrări de instalaţii de încălzire, care sunt obligatorii pentru
toate activităţile cu acest profil. Aceste norme specifice sunt prevăzute de Legea nr. 5 din
1965 şi au fost modificate prin Decretul nr. 48 din 1969. Hotărârea Guvernului României
nr. 448 din 1994 privind organizarea şi funcţionarea Ministerului Muncii şi Protecţiei
Sociale a primit Avizul Consiliului tehnico-economic nr. 214 din 28 noiembrie 1995.
Normele specifice de securitate a muncii sunt reglementări cu aplicabilitate
naţională, care cuprind prevederi minimum obligatorii pentru desfăşurarea principalelor
activităţi din economia naţională în condiţii de securitate a muncii. Respectarea
conţinutului acestor reglementări nu absolvă agenţii economici de răspundere pentru
prevederea, stabilirea şi aplicarea oricăror alte măsuri de securitate a muncii, adecvate
condiţiilor concrete de desfăşurare a activităţilor respective.
Reglementarea măsurilor de securitate a muncii în cadrul normelor specifice de
securitate a muncii, vizând global desfăşurarea uneia sau mai multor activităţi în condiţii
de securitate, se realizează prin tratarea tuturor aspectelor de securitate a muncii la nivelul
fiecărui element al sistemului.
Prevederile sistemului naţional de reglementări normative pentru realizarea
securităţii muncii constituie alături de celelalte reglementări juridice referitoare la
sănătatea şi securitatea în muncă, baza pentru activitatea de concepţie şi proiectare a
echipamentelor de muncă şi tehnologiilor, autorizarea funcţionării unităţilor, instruirea
salariaţiilor cu privire la securitatea muncii, cercetarea accidentelor de muncă şi stabilirea
cauzelor şi responsabilităţilor, controlul şi autocontrolul de protecţie a muncii precum şi
fundamentarea programului de protecţie a muncii. Normele specifice de securitate a
muncii pentru lucrări de de instalaţii încălzire se aplică cumulativ cu Normele generale de
protecţie a muncii.
90
Prezentele norme specifice se vor revizui periodic şi vor fi modificate ori de câte
ori este necesar, ca urmare a schimbărilor de natură legislativă survenite la nivel naţional,
a introducerii de tehnologii noi sau ori de câte ori este cazul.
Prevederile normelor specifice de securitate a muncii pentru lucrările de instalaţii
de încălzire se referă la modul în care se desfăfşoară angajarea şi repartizarea lucrătorilor,
dotarea cu echipamente individuale de protecţie, protecţia înpotriva incendiilor şi
exploziilor, organizarea locurilor de muncă, iluminat, ventilaţie, accesul în spaţii foarte
periculoase,manipularea, transportul şi depozitarea materialelor, efectuarea săpăturilor şi
a lucrărilor laînălţime. Prevederile de proiectare privind lucrările de instalaţii de încălzire
se referă la realizarea armăturilor şi la modul de utilizare a aparatelor de măsură şi
control.
Acest proiect a fost realizat în conformitate cu prevederile de proiectare privind
lucrărilede instalaţii de încălzire, iar în această ordine de idei s-a avut în vedere
asigurarea condiţiilor de securitate a muncii, iar soluţia tehnică adoptată asigură pe deplin
aceste condiţii.
91
17. Concluzii
Conform studiului realizat cu ajutorul programului am evidenţiat eficienţa
optimizării valorilor unora dintre parametrii caracteristici anvelopei clădirii în vederea
implementării unei instalaţii de încălzire bazată pe surse regenerabile de energie. Având
în vedere că investiţiile în aceste echipamnte sunt foarte ridicate s-a urmărit justificarea
costurilor instalaţiilor, pentru a putea fi amortizate într-un interval de timp rezonabil.
Componentele sistemului de încălzire, ventilarea locuinţei şi încălzirea apei calde
menajere alese conform calculelor sunt produse de firma Viessman şi anume: pompa de
căldură Vitocal 300 Tip 108, boilerul pentru acumularea apei calde menajere Vitocell
100-E Tip SVP: 400, sistemul de ventilare Vitovent 300 şi sondele pentru sol pentru
colectarea energiei geotermale.
Sistemul de încălzire trebuie să asigure atât încălzirea locuinţei cât şi a apei calde
menajere, existând o diferenţă de temperatură între cele două cazuri. Am ales ca pompa
de căldură să asigure confortul termic din imobil, cat si încălzirea apei calde menajere.
În cazuri extreme cu perioade în care temperatura s-ar menţine sub valoarea luată
ca referinta la calcularea necesarului si anume de -12° C, necesarul termic pentru
încălzirea apei se face cu o rezistenţă electrică încorporată in pompa de căldură. Această
combinaţie este cea mai eficientă din punct de vedere economic deoarece diminuează
foarte mult costurile lunare pentru încălzire.
Amplasarea sistemelor de încălzire cu surse regenerabile de energie enumerate mai
sus sunt prezentate în cele ce urmează.
92
18. Prezentarea instalatiei
93
94
95
96