Date post: | 03-Jun-2018 |
Category: |
Documents |
Upload: | micu-cristi |
View: | 271 times |
Download: | 0 times |
of 43
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
1/43
1
Tehnologii energeticepartea II
POMPE DE CLDUR
NECESITATEA UTILIZARII POMPELOR DE CALDURA IN CLADIRI
Ameliorarea eficacitatii proceselor energetice, industriale sau civile se
realizeaza in mare masura prin introducerea in circuitul energetic a resurselor
secundare de energie care apar si se dezvolta simultan cu aceste procese.
Pompele de caldura fac parte din categoria instalatiilor care utilizeaza aceste
resurse care pot aduce o contributie importanta la o mai buna utilizare a energiei
pentru alimentarea cu caldura la niveluri termice moderate, solicitate de numeroase
procese tehnologice si in special pentru incalzirea si prepararea apei calde de
consum a cladirilor civile si industriale.
Necesitatea utilizarii pompelor de caldura in cladiri are la baza doua
considerente:- economisirea de energie, demonstrata prin analizele energetice ulterioare;
- legislatia interna si internationala. Prezentam doar doua reglementari recente,
referitoare la acest aspect.
a) Protocolul de la Kyoto (1997).
Monitorizeaza gazele cu efect de sera (principalul fiind CO2).
Parafat si de Romania, protocolul a devenit functional din februarie 2005,
cand dupa parafarea de catre Federatia Rusa au fost indeplinite conditiile necesare
intrarii in vigoare: semnarea de minim 55 de state, a caror contributie in emisiile de
CO2 in 1990 sa fie de minim 55%.
Scopul acestui protocol este reducerea cu minim 5% a emisiilor de GES fata
de nivelul din anul 1990, in perioada 2008-2012.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
2/43
2
Una din posibilitati este reducerea consumurilor energetice prin utilizarea
pompelor de caldura, cu agenti de lucru cu impact cat mai redus asupra incalzirii
atmosferei.
b) Directiva 2002/91/CE a Parlamentului European privind performanta
energetica a cladir il or;
In urma acestei directive, in Romania a fost promulgata Legea 372/13
decembr ie 2005 privind performanta energetica a caldi r i lor, (in vigore de la 1
ianuarie 2007) in care se mentioneaza:
metodologia de calcul a performantei energetice a cladirilor, incluzand si
instalatiile de producere a caldurii, printre care si pompele de caldura;
masurile necesare asigurarii Protocolului de la Kyoto, dintre care cele referitoare
la pompele de caldura sunt:
- reducerea consumurilor energetice din cladiri;
- limitarea emisiilor de CO2.
utilizarea de sisteme de incalzire si de racire, alternative celor actuale, mai
economice si mai putin poluante, pompele de caldura fiind mentionate in acest
sens.
Dintre diferitele forme de energie utilizate, n actuala etep de dezvoltare a
tehnicii, energia termic are ponderea cea mare n balana energetic a unei ri.
Datorit acestui fapt, se depun eforturi susinute pentru gsirea cilor optime de
folosire a energiei termice, cu scopul economisirii resurselor energetice primare de
combustibili.
Crizele petroliere din anii 1973 i 1979, mpreun cu discuiile asupraenergiei pe care le-au generat, au determinat o puternic contientizare a
problemelor legate de producerea i utilizarea energiei. Cteva dintre acestea sunt:
- creterea permanent la nivel mondial al consumului de combustibili
-puternica dependen a unor state (n special a celor puternic dezvoltate )
de importul de energie
- poluarea mediului ambiant datorit emisiilor de substane nocive precumi prin cldura degajat
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
3/43
3
Se apreciaz c de la nceputul erei noastre pn n 1990 s-a consumat o
cantitate total de energie echivalent cu 420 miliarde tone combustibil
convenional. Aceeai cantitate va fi onsumat pe perioada 1990-2018, i mai
trziu n intervale din ce n ce mai scurte. Aceast cretere a consumului mondial
de energie chiar in condiiile scderii consumului pe cap de locuitor- se
datoreaz n primul rnd puternicii creteri demografice din rile n curs de
dezvoltare.
n conformitate cu ultimele rezultate ale cercetrilor din domeniul resurselor
de energie, se apreciaz c rezervele disponibile i exploatabile de combustibili
fosili sunt echivalente cu 1263 miliarde tone de combustibil convenional. Aceast
cantitate este de circa trei ori mai mare dect cea care va fi consumat ntre 1990 -
2018.
Din analiza consumului total de energie primar din cadrul Uniunii
Europene (din care i Romnia va face parte din 2007), se poate vedea c
aproximativ 82% se face n domeniul rezidenial i cel industrial. Din acesta 47%
sunt utilizate pentru nclzirea locuinelor i pentru producerea cldurii necesare
diverselor procese industriale. Se estimeaz c 30% din energia aferentproceselor
industriale se este eliberat la debite i temperaturi care ar permite o reutilizare a
acesteia. Aceasta reprezint 12% din consumul total de energie primar.
n anumite cazuri, de exemplu n scopuri de confort sau n anumite procese
tehnologice energia termic trebuie s aib un potenial termic redus,
corespunztor unor temperaturi care nu depesc 100...150C.
Prin arderea combustibilor clasici, chiar i ai celor inferiori energia termicse obine la un potenial termic ridicat corespunznd unor temperatui de
1500...2000 C. La acest nivel, exergia cldurii partea maxim care poate fi
transformat n lucru mecanic- are valori nsemnate, iar utilizarea n scopuri cum ar
fi nclzirea apei ntr-un cazan de ap fierbinte duce la pierderi energetice
nsemnate i reducerea eficienei instalaiei.
n aceste condiii soluia raional const n principiu din valorificareaimenselor cantitai de cldur care pot fi preluate de la mediul ambiant. O astfel de
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
4/43
4
solie este utilizarea pompelor de cldurpentru ncalzire i prepararea apei calde
menajere. Pompele de cldura ofer posibilitai tehnice efective pentru
economisirea de energie i reducerea emisiilor de CO2
Figura 1. Schema energetic a pompei de cldur
Pompele de cldur ofer premisele tehnologice necesare pentru a folosii
eficient energia solar nmagazinat n ap, sol i aer sub form de cldur
ecologic. Ele obin aproximativ trei sferturi din energia necesar pentru nclzire
din mediul nconjurtor, iar pentru restul utilizeaz ca enegie de acionare curentul
electric dup cum reiese din figura 1.
Utilizarea pe scar larg a surselor regenerative de energie este mpiedicat
datorit ne-economicittii acestora sau a suprafeelor mari necesare. Variaiile
zilnice sau sezoniere la nivelul sursei de energie reprezint o piedic suplimentar.
Pompele de cldur ca sisteme de conversie a energiei sunt maini
termice carepot ridica calitatea cldurii dela un nivel sczut de temperatur pn
la un nivel ridicat de temperatur. Ele pot furniza n mod obinuit cldur pn latemperaturi de 120C.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
5/43
5
Pentru nclzirea cldirilor, cldura este necesar la o temperatur mai mic de
90C ceea ce nseamn c pompele de cldur pot furniza pentru ntreaga pia din
domeniul nclzirii cldirilor, asta reprezentnt 26 %din consumul total de energie
primar. Datorit temperaturilor mai mari de 400C necesare n industrie pompele
de cldur pot furniza numai 2% din ntregul necesar de cldur.
Funcionarea oricrei instalaii de nclzire produce emisii poluante. De
exemplu cazanul pe combustibil lichid al unei instalaii de nclzire i preparea
apei calde menajere pentru casa unei singure familii produce n medie pe an: 6 kg
funingine, 41 kg acid sulfuric, 18 hg monoxid de carbon, 38 kg ozid de azot i
12000 kg CO2. Toate aceste substane prezint ele nsele un pericol pentru mediul
ambiant, contribuind totodat la creterea efectului de ser. n cazul utilizrii
energiei electrice i a termoficrii n scopul nclziri emisiile de substane nocive
se deplaseaz ctre centralele termo-electrice sau ctre centrele de termoficare
astfel nct la locul de producere a cldurii nu sunt eliberate noxe poluante
contribuind la scderea polurii aerului n zonele dens populate mai ales n
perioada de iarn.
Dei majoritatea pompelor de cldur sunt acionate de energie electric,
mrindu-se n acest fel consumul de electricitate, tot se va reduce consumul total
de combustibili fosili atunci cnd sunt nlocuite sistemele convenionale de
nclzire. Modul n care pompele de cldur vor reduce emisiile poluante depinde
de tehnologia pe care o nlocuiesc aceste pompe i de sursa de energie de acionare.
n cazul n care energia de acionare este energie electric, reducerea
depinde de modul de producere a acesteia. Dac energia electric nu este produspe baza de combustibili fosili, se ateapt o reducere foarte puternic. Chiar i
atunci cnd energia electric este produs din combustibili fosili pompele de
cldur pot reduce emisiile de CO2cu 30 pn la 50 % n comparaie cu cazanele
clasice. Reducerea se datoreaz faptului c este nevoie de o energie mult mai mic
de acionare.
Activitatea de cercetare trebuie orientat n urmtoarele direcii:- gsirea de noi ageni de lucru care s posede un potenial minim de distrugere a
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
6/43
6
ozonului i o contribuie ct mai mic la efectul de ser s nu prezinte toxicitate
sau imflamabilitate
- ridicarea eficienei pompelor de cldurprin utilizarea de noi cicluri de lucru, de
ageni termici de lucru i de componente constructive optimizate
- realizarea de pompe de cldur pentru temperaturi ridicate
- determinarea echilibrului optim dintre calitatea echipamentelor (n scopul
limitrii scprilor, a creterii duratei de via i a siguranei) pe de o parte, i
timpul de recuperare a investiiilor pe de alt parte.
Evoluia utilizrii pompelor de caldura
Avnd n vedere faptul c pompele de cldur i extrag o mare parte de
energie din mediul nconjurtor (ap, pmnt, aer) sunt considerate a fi o surs de
energie regenerabil n Elveia, Olanda, Danemarca, Finlanda i Norvegia.
n Uniunea European, pompa de cldur ar putea contribui la onorarea unor
angajamente privind furnizarea unui procent de 12%din consumul intern intern de
energie din surse regenerabile.
n USA, pompa de cldur este din ce n ce mai folosit iar dezvoltarea
acesteia este susinut de Agenia de Protecie a Mediului nconjurtor din USA.
Acelai lucru se ntmpl i n Canada unde Ministerul Resurselor Naturale
i ofer tot sprijinul n acest sens.
n Elveia, pompa de cldur acopera deja 40%din nouapia de desfacere
avnd ca obiectiv atingerea unui procent de 50% pna n 2010. Datorit sprijinului
venit din partea Biroului Federal de Energie, pompa de cldur reprezint subiectulunor campanii stimulative in continu crestere n lupta impotriva efectului de ser
i a folosirii energiei regenerative.
n Germania, piaa pompelor de cldur a crescut cu 23% ntre 1997 si
1998.
Suedia, deja echipat cu pompe de cldur are ca obiectiv dublarea
numrului de pompe de cldur instalate ajungnd la un numr de 620.000 pn n2010.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
7/43
7
Importana folosirii surselor de energie regenerabile
Sursele fosile posed proprieti foarte folositoare care le-au fcut foarte
populare n ultimul secol. Din nefericire, sursele fosile nu sunt regenerabile. Mai
mult dect att, acestea sunt responsabile de emisiile de CO2din atmosfer, care
sunt duntoare unui climat ecologic. Utilizarea n continuare a surselor de energie
fosile ar produce o cretere a emisiilor de CO2care este reprezentat n figura 2.
Figura 2. Creterea emisiilor de CO2generate prin arderea surselor fosile de
energie
n anul 2000, ponderea surselor regenerabile n producia total de energie
primar pe plan mondial era de 13,8 %. Din analiza ratelor de dezvoltare din
ultimele trei decenii se observ c energia produs din surse regenerabile a
nregistrat o cretere anual de 2%.
Prin schimbul natural dintre atmosfer, biosfer i oceane pot fi absorbite
circa 11 miliarde de tone de CO2din atmosfer (sau 3 miliarde de tone echivalent
carbon), ceea ce reprezint circa jumtate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta
a condus la o cretere permanent a concentraiei de CO2din atmosfer de la 280
de ppm nainte de dezvoltarea industrial la 360 ppm n prezent.
Estimnd c la sfritul acestui secol populaia globului va atinge circa 10
miliarde de locuitori, n condiiile unor drepturi de emisie uniforme pentru intreaga
populaie, pentru a nu depi concentraia de CO2de 450 ppm n atmosfer, ar fi
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
8/43
8
necesar ca emisiile pe cap de locuitor s se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce
pentru rile dezvoltate reprezint o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze
cu efect de ser.
Prognoza consumului de energie primar realizat de Consiliul Mondial al
Energiei pentru anul 2050, n ipoteza unei creteri economice de 3 % pe an, fr o
modificare a tendinelor actuale de descretere a intensitii energetice i de
asimilare a resurselor energetice regenerabile, evideniaz un consum de circa 25
Gt de emisii poluante, din care 15 Gt de emisii poluante provin din combustibilii
fosili. Pentru a se pstra o concentraie de CO2
de 450 ppm, ceea ce reprezint circa 6 Gt carbon, cantitatea maxim de
combustibili fosili utilizabil nu trebuie s depeasc 7 Gt de emisii poluante,
rezultnd un deficit de 18 Gt de emisii poluante care ar trebui acoperit din surse
nucleare i surse regenerabile. Rezult c pentru o dezvoltare energetica durabil
nu ar trebui s se depeasc la nivelul anlui 2050 un consum de 13-18Gt de emisii
poluante, acoperit din combustibili fosili 7Gt de emisii poluante, din nuclear 2-3 Gt
de emisii poluante i restul de 4-9 Gt de emisii poluante din resurse regenerabile.
Pentru atingerea acestui obiectiv ambiios, propus de rile Uniunii
Europene, de a reduce de patru ori emisiile la orizontul anului 2050, se estimeaz o
puternic decarbonizare a sistemului energetic, prin apelare att la energia
nuclear, dar mai ales la sursele regenerabile de energie.
innd seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii i de
nlocuire a instalaiilor existente, este necesar s se accelereze ritmul de dezvoltare
a noilor tehnologii curate i a celor care presupun consumuri energetice reduse. nacelai timp este necesar o profund evoluie a stilului de via i o orientare ctre
o dezvoltare durabil.
Este evident c pe termen mediu sursele regenerabile de energie nu pot fi
privite ca alternativ total la sursele convenionale, dar este cert c, n msura
potenialului local, datorit avantajelor pe care le au (resurse locale abundente,
ecologice, ieftine, independente de importuri), acestea trebuie utilizate ncomplementaritate cu combustibilii fosili i energia nuclear.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
9/43
9
Surse de caldura
Dup cum s-a spus n capitolele precedente pompele de cldur obin
aproximativ trei sferturi din energia necesar pentru nclzire din energia solar
acumulat n mediul ambiant, iar pentru restul folosesc energia electric. Energia
solar este ecologic i regenerativ.
n figura 2 se prezint distribuia radiaiei solare la nivelul atmosferei i
solului astfel:
Figura 3. Distribuia radiaiei solare
- 19% este absorbit de vapori, ozon i praf;
- 8% este disipat n atmosfer;
- 4% este absorbit de ctre nori;
- 17% este reflectat de ctre nori;
- 6 % este reflectat de ctre pmnt;
- 46% este absorbit de ctre pmnt.
Temperatura surselor naturale ca aerul, solul, apele freatice i de suprafa
variaz n concordan cu variaia anual a temperaturii cu o atenuare i o defazare
n timp mai mare sau mai mic. Aceasta nseamn c tocmai atunci cnd necesarul
de cldur este maxim avem cel mai mic disponibil de cldur de la sursele
naturale.
Prin urmare sursele naturale care depind n mic msur de temperatura
exterioar sunt cele mai indicate n procesul de alimentare cu cldur al
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
10/43
10
locuinelor.
n figura 3 este prezentat variaia medie a temperaturii pentru sol, aer i ap
freatic pe parcursul ntregului an.
Se observ c apa freatic (reprezentat cu verde) are temperatura cea mai
constant pe parcursul ntregului an. Solul (reprezentat cu galben nchis) prezint o
variaie mai mare de temperatur fa de ap freatic . Aerul (reprezentat cu galben
deschis) prezint cele mai mari variaii de temperatur pe parcursul ntregului an
de aceea nu este recomandat pentru nclzirea cldirilor.
Pentru utilizarea practic a surselor de energie pe lng o temperatur ct
mai constant pe parcursul ntregului an mai trebuie respectate urmtoarele criterii:
- disponibilitate suficient;
- capacitate ct mai mare de acumulare;
- nivel ct mai ridicat de temperatur;
- regenerare suficient;
- captare economic;
- timp redus de ateptare;
- s nu fie corosiva.
Figura 4. Variaia temperaturii surselor naturale pe parcursul ntregului an
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
11/43
11
Pe lng sursele naturale de energie care reprezint de fapt acumulatori de
energie solar se mai poate utiliza i cldura evacuat din diferite procese
tehnologice.
Aerul ambient i cel evacuat din sistemele de climatizare, solul i apa
freatic sunt surse de cldur pentru pompele de cldur de puteri mici, n timp ce
apa de mare , lac sau ru, rocile, apa goetermal i apa tehnologic sunt utilizate
pentru pompe de cldur de puteri mari.
Aerul ambient este gratis i disponibil peste tot, reprezentnd cea mai
obinuit surs de cldur pentru pompele de cldur. Acele pompe de cldur care
utilizeaz aerul drept surs de cldur ating ns coeficieni de performan
sezonieri cu 10-30% mai redui dect n cazul utilizrii apei ca surs de cldur.
Aceasta se datoreaz n special scderii rapide a randamentuluii puterii odat cu
scderea temperaturii exterioare, a diferenei relativ mari de temperatur din
vaporizator i a energiei suplimentare necesare pentru degivrare i pentru
funcionarea ventilatoarelor.
n condiii climatice blnde i umede, pe suprafaa vaporizatorului se
acumuleaz ghea, ceea ce duce la scderea puterii i a randamentului pompei de
cldur. Degivrarea bateriilor se realizeaz prin inversarea ciclului funcional al
pompei de cldur sau prin intrarea n funciune a unei rezistene electrice. n acest
mod crete consumul de energie, iar COP-ul total al pompei de cldur va scdea
odat cu creterea frecvenei degivrrilor. Eficiena total poate fi mrit prin
controlul frecvenei cu care se face degivrarea mai degrab dect prin controlul
timpului de funcionare.
Utilizarea aerului drept surs de cldur se recomand n special n cazul
cldirilor existente, unde pompele de cldur aer-ap sau aer-aer i pot aduce
contribuia la nclzire prin funcionarea n sistem bivalent, completnd deci
nclzirea clasic bazat pe arderea unui combustibil.
Puterea termic a agregatelor de pompa de cldur funcionnd cu aer ca
surs de cldur este stabilit de ctre constructorul acestora nc din fabric. Pompele de cldur aer-ap pot funciona pe perioada ntregului an,
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
12/43
12
ntocmai ca i pompele de cldur ce extrag cldura din sol sau din apa freatic.
Trebuie ns observat faptul c puterea termic de nclzire a unei astfel de
pompe de cldur variaz foarte mult n funcie de temperatura aerului surs de
cldur. Astfel, la nceputul i sfritul perioadei de nclzire (toamna i
primvara), puterea termic de nclzire este mult mai mare dect n cea mai rece
zi a anului i simitor mai mare dect necesarul de cldur al cldirii (dac pompa
de cldur a fost gndit s funcioneze n regim monovalent).
Din acest motiv , un astfel tip de pomp de cldur trebuie dotat cu un
sistem de reglare a puterii termice livrate consumatorului de cldur.
Aerul evacuat din sistemele de climatizare reprezint o surs de cldur
obinuit pentru pompele de cldur din cldirile comerciale i rezideniale. Prin
recuperarea cldurii din aerul evacuat, pompele de cldur realizeaz nclzirea
apei i/sau a spaiilor. n timpul perioadei de nclzire sau chiar n decursul
ntregului an este necesar funcionarea continu a sistemului de climatizare-
ventilare. Unele tipuri de pompe de cldur sunt astfel proiectate nct s utilizeze
att aer ambiant ct i aer evacuat.
n cazul cldirilor mari, pompele de cldur avnd ca surs de cldur aerul
evacuat sunt de multe ori cuplate cu sisteme de recuperare a cldurii de tipul aer-
aer.
Apa freaticprezint o temperatur constant (4-10C) n multe zone.
Pentru utilizarea ei sunt utilizate sisteme nchise sau deschise. n sistemele
deschise, apa subteran este pompat , rcit i apoi reinjectat ntr-un pu separat
sau returnat ctre apa de suprafa. Sistemele de suprafa trebuiesc proiectate cumare atenie, pentru evitarea problemelor legate de nghe, coroziune i colmatare.
Sistemele nchise pot fi sisteme cu detent direct (n care agentul termic de lucru
vaporizeaz n interiorul evilor montate subteran), sau sisteme cu agent
intermediar. Sistemele cu agent intermediar prezint n general performane
tehnice mai sczute, dar sunt mai uor de ntreinut. Dezavantajul major al acestor
pompe de cldur este costul ridicat al lucrrilor pentru exploatarea sursei decldur. Exist totodat posibilitatea unor constrngeri suplimentare generate de
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
13/43
13
legislaia privitoare la protecia stratului de ap freatic i la prentmpinarea
polurii solului.
Solulprezint aceleai avantaje ca i apa freatic, i anume are temperaturi
medii anuale ridicate. Cldura este extras cu ajutorul unor conducte ngropate
orizontal sau vertical n sol, iar sistemele pot fi de asemenea cu detent direct sau
sisteme cu agent intermediar.
Capacitatea termic a solului depinde de umiditatea acestuia i de condiiile
climatice. Datorit extragerii de cldur din sol, temperatura acestuia va scdea n
decursul perioadei de nclzire. n regiunile foarte reci, cea mai mare parte a
cldurii este extras sub forma de cldur latent,atunci cnd solul nghea. Cu
toate acestea n timpul perioadei de var, radiaia solar nclzete solul, iar
refacerea potenialului termic este posibil n totalitate.
Solul prezint capacitatea de a nmagazina sezonier cldura provenit de la
soare, lucru care conduce la obinerea unei temperaturi relativ constante a acestei
surse de cldur i la atingerea unor coeficieni sezonieri de performan de valori
ridicate.
Contribuia energiei geotermice adic a acelui flux de cldur ndreptat de
la interiorul ctre exteriorul pmntului- este att de redus nct poate fi
neglijat.Rezult deci c energia extras din sol de ctre acest tip de pompe de
cldur provine aproape exclusiv de la soare.
Pompele de cldur pentru cldirile de locuit i care utilizeaz solul drept
surs de cldur sunt astzi executate sub form de instalaii compacte, ce pot fi
montate cu uurin n cldire.
Cldura preluat de la sursa de cldur este transportat cu ajutorul unui
amestec antigel, al crui punct de nghe se situeaz la circa -15C. Prin aceasta se
asigur faptul c sonda nu va nghea n timpul funcionrii. Schema acestui circuit
este prezentat n figura 4.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
14/43
14
Figura 4. Schema circuitului de antigel
Extragerea cldurii din sol se poate face cu ajutorul unui sistem de evi din
material sintetic, cu o mare suprafa de transfer.
Cldura geotermalpoate fi utilizat ca surs de cldur acolo unde apafreatic este foarte puin sau lipsete total. Adncimea forajelor atinge 100 .
200m.
Atunci cnd este necesar o capacitate termic ridicat, forajele se fac
nclinat pentru a cuprinde un volum mai mare se stnc. Acest tip de pomp de
cldur este ntotdeauna conectat la un sistem de agent intermediar realizat din
conducte din plastic. Unele dintre pompele de cldur de acest tip destinate
cldirilor comerciale utilizeaz masivul pentru acumularea cldurii sau a frigului.
Costurile ridicate ale operaiunilor de foraj mpiedic ns utilizarea cldurii
geotermale ca surs pentru pompele de cldur domestice.
Apa de ru i de laceste n principiu o surs foarte bun de cldur dar are
ca principal devavantaj o temperatur sczut n timpul iernii (apropiat de 0 C).
Din acest motiv trebuiescluate msuri de siguran pentru a evita nghearea
vaporizatorului.
Apa de mare este o surs excelent de cldur i este utilizat n special
pentru pompe de cldur de puteri medii i mari. La adncimea de 25-50m, apa de
mare are temperatura constant 5-8C, iar formarea ghieii nu mai constituie o
problem (Punctul de nghe este la -2 C).
Se pot folosi att sistemele cu detent direct ct i sistemele cu agent
intermediar. Pentru prentmpinarea coroziunii i a colmatrii cu substane
organice trebuiesc luate msuri constructive speciale n realizarea schimbtoarelor
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
15/43
15
de cldur a pompelor i a conductelor.
Apa tehnologic se caracterizeaz prin temperaturi constante i relativ
ridicate n tot timpul anului. Principalele probleme sunt legate de distana pn la
utilizator i de variaia fluxului de cldur transportat. Ca posibile exemple privind
sursele de cldur din aceast categorie sunt: efluenii provenind din canalizare
(apa de canalizare tratat i netratat), efluenii industriali, precum i apa de rcire
(pentru condensare) de la procese industriale sau din producerea de energie
electric.
Principiul de funcionare a unei pompe de caldura
Modul de funcionare al pompei de cldur corespunde modului de
funcionare al unui frigider dup cum se vede i din figura 5.
Figura 5. Funcionarea pompei de caldura
n cazul pompei de cldur, cldura se extrage din mediul nconjurtor (sol,
ap, aer) i se conduce la sistemul de nclzire. Circuitul agregatului de rcire se
realizaez conform legilor fizicii. Agentul de lucru, un lichid care atinge punctul de
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
16/43
16
fierbere la o temperatur redus, se conduce ntr-un circuir i consecutiv se
evapor, se comprim, condenseaz i se destinde.
n vaporizatorse afl agent de lucru lichid la presiune redus. Nivelul de
temperatur al cldurii ecologice din vaporivator este mai ridicat dect domeniul
de temperaturi de fierbere corespunztor presiunii agentului de lucru. Aceast
diferen de temperatur conduce la o transmitere a cldurii ecologice asupre
agentului de lucru, iar agentul de lucru fierbe i vaporizeaz. Cldura necesar se
preia de la sursa de cldur.
Vaporii rezultai din agentul de lucru se aspir continuu din vaporizator de
ctre compresor i se comprim. n timpul comprimrii cresc presiunea i
temperatura vaporilor.
Vaporii agentului de lucru ajung din compresor n condensator care este
nconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai redus dect
temperatura e condensare a agentului de lucru, astfel nct vaporii se rcesc i se
lichefiaz din nou. Energia preluat n vaporizator i suplimentar, energia electric
transferat prin comprimare, se elibereaz n condensator prin condensare i se
transfer agentului termic.
n continuare se recircul agentul de lucru prin intermediul unui ventil de
destindere n vaporizator. Agentul de lucru trece de la presiunea ridicat a
condensatorului la presiunea redus a vaporizatorului. La intrarea n vaporizator se
ating din nou presiunea i temperatura iniial , astfel circuitul se nchide.
Regimuri energetice de funcionare
Regimul de funcionare al pompelor de cldur se adapteaz sistemului de
distribuie de cldur existent n cldiri.
Din punct de vedere tehnic se pot diferenia urmtoarele regimuri de
funcionare:
- regim de funcionare monovalent
- regim de funcionare bivalent- regim de funcionare monoenergetic
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
17/43
17
Clasificarea pompelor de caldura
Sunt cunoscute mai multe puncte de vedere n conformitate cu care sunt
clasificate instalaiile de pompe de cldur, o clasificare complet i riguroas fiind
foarte dificil din cauza numeroaselor tipuri constructive i condiiilor de
funcionare.
n funcie de modul de realizare al ciclului de funcionare, precum i de
forma energiei de antr enare exist urmtoarele tipuri de pompe de cldur:
Pompe de cldur cu comprimare mecanic de vapori sau gaze, prevzute cu
compresoare cu piston, turbocompresoare, compresoare elicoidale antrenate
de motoare electrice sau termice.
n cazul acestei pompe de cldur este posibil atingerea unor temperaturi
ridicate cu ajutorul sistemelor n mai multe trepte, dar acestea sunt complexe i
necesit investiii mari. Problema cheie const n gsirea unor fluide capabile s
condenseze la temperaturi peste 120C. Utilizarea amestecurilor non-azeotrope
poate contribui la soluionarea problemei i permite chiar atingerea uneieficiene
ridicate.
Pompe de cldur cu comprimare cinetic, prevzute cu compresoare cu jet
(ejectoare) i care utilizeaz energia cinetic a unui jet de abur. Datorit
randamentului foarte sczut al ejectoarelor i al consumului ridicat de abur
de antrenare acest tip de pompe de cldur este din ce n ce mai puin
utilizat.
Pompe de cldur cu comprimare termochimic sau cu absorbie care
consum energie termic, electric sau solar. Ele prezint avantajul de autiliza cldura recuperabil cu un pre sczut i nu prezint pri mobile n
micare
Pompe de cldur cu compresie-resorbie- se afl nc n stare experimental
dar sunt foarte promitoare deoarece combin avantajele sistemelor cu
compresie cu cele ale sistemelor cu absorbie. Aceste pompe sunt capabile s
ating temperaturi ridicate de pn la 180 C i valori ridicate ale eficienei.Agenii termici de lucru pot fi soluii binare inofensive.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
18/43
18
Pompe de cldur termoelectrice bazate pe efectul Peltier i care consum
energie electric.
Dup puterea instalat pompele de cldur pot fi:
- instalaii mici: folosite pentru prepararea apei calde sunt realizate n combinaie
cu frigiderele avnd o putere de pn la 1 KW.
- instalaii mijlocii: destinate n principal pentru climatizare i nclzire pentreaga
durat a anului n locuine relativ mici i birouri. Puterea necesar acionrii este
cuprins ntre 2 pn la 20 KW iar puterea termic poate ajunge pn la 100 KW.
- instalaii mari: pentru condiionare i alimentare cu cldur. Aceste instalaii sunt
cuplate de regul cu instalaii de ventilare, de multe ori avnd i sarcin frigorific
servind la rcirea unor spaii de depozitare sau servind patinoare artificiale. Puterea
de acionare este cuprins ntre ctiva zeci i sute de kW iar puterea termic
depete n general 1000 kW.
- instalaii foarte mari: folosite n industria chimic, farmaceutic pentru instalaii
de vaporizare, concentrare, distilare. Puterea termic depete cteva mii de KW
i din aceast cauz sunt acionate numai de compresoare.
n funcie de domeniul de utilizare a pompelor de cldurse pot clasifica
n:
- Pompe de cldur utilizate pentru nclzirea i condiionarea aerului n cldiri.
Aceste pompe de cldur utilizeaz aerul atmosferic ca surs de cldur, fiind
recomandabile n regiunile cu climat temperat.
- Pompe de cldur folosite ca instalaii frigorigice i pentru alimentarea cucldur. Aceste pompe de cldur sunt utilizate succesiv pentru rcire n timpul
verii i pentru nclzire n timpul iernii.
- Pompe de cldur folosite ca termocompresoare. Acestea sunt utilizate n
domeniul instalaiilor de distilare, rectificare, congelare, uscare, etc.
- Pompe de cldur utilizate n industria alimentar ca termocompresoare precum
i n scopuri de condiionare aaerului sau tratare a acestuia n cazul ntreprinderilorde produse zaharoase, respectiv cel al antrepozitelor frigorifice de carne.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
19/43
19
- Pompe de cldur destinate industriei energetice. n acest caz, ele sunt folosite
pentru nclzirea camerelor de comand, sursa de cldur fiind, spre exemplu, apa
de rcire a condensatoarelor sau cldura evacuat de la generatoarele i
transformatoarele electrice.
- Pompe de cldur utilizate pentru recuperarea cldurii din resursele energetice
secundare. Se recomand valorificarea prin intermediul pompelor de cldur a
caldurii evacuate prin condensatoarele instalaiilor frigorifice sau a energiei apelor
geotermale.
- Pompe de cldur folosite n industria de prelucrare a laptelui acestea sunt
utilizate simultan pentru rcirea laptelui i prepararea apei calde.
Dup felul surselor de cldur utilizatepompele de cldur pot fi:
- aer-aer: au ca surs de cldur aerul atmosferic i folosesc aerul ca agent
purttor de cldur n cldirile n care sunt montate. La acest tip de instalaii
inversarea ciclului este deosebit de uoar astfel n sezonul rece instalaia este
utilizat pentru nclzire iar n sezonul caldpentru condiionare.
- ap-aer: folosesc ca surs de cldur apa de suprafa sau de adncime, apa
cald evacuat din industrie, agentul purttor de cldur fiind aerul.
- sol-aer: folosesc ca surs de cldur solul iar agentul purttor de cldur este
aerul.
- soare-aer: folosesc ca surs de cldur energia termic provenirt de la soare
prin radiaie iar agentul purttor de cldur este aerul.
- aer-ap: folosesc ca surs de cldur aerul iar ca agent purttor de cldur apa.
- ap-ap: folosesc ca surs de cldur apal iar ca agent purttor de cldur totapa.
- sol-ap: folosesc ca surs de cldur solul iar ca agent purttor de cldur apa.
- soare-ap: folosesc ca surs de cldur radiaia solar iar ca agent purttor de
cldur apa
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
20/43
20
Pompe de cldur pentru utilizri casnice
Pompele de cldur pentru nclzirea i rcirea cldirilor pot fi mprite n
patru mari categorii, n raport cu funciile lor:
- Pompe de cldur numai pentru nclzire (acestea realizeaz numai nclzirea
spaiilor i/sau a apei calde menajere).
- Pompe de cldur pentru nclzire i rcire (acestea realizeaz att nclzirea ct
i rcirea spaiilor). Cea mai des ntlnit este pompa de cldur reversibil aer-aer,
care poate funciona fie pentru nclzire, fie pentru rcire. Pompele de cldur de
dimensiuni mari din cldirile comerciale sau administrative utilizeaz apa pentru
distribuia cldurii i a frigului, iar furnizareaacestora se realizeaz simultan.
- Sisteme integrate de pompe de cldur (acestea realizeaz nclzirea i rcirea
spaiilor, nclzirea apei calde menajere i uneori recuperarea cldurii din aerul
evacuat). nclzirea apei menajere se poate face fie numai prin de-supranclzirea
vaporilor, fie prin de-supranclzirea i condensarea vaporilor. Cea de-a doua
variant permite producerea apei calde menajere atunci cnd nu este necesar
nclzirea sau rcirea spaiilor.
- Pompe de cldur pentru nclzirea apei calde menajere (destinate n totalitate
pregtirii apei calde menajere). Acestea pot fi de tipul aer-ap sau ap-ap i
utilizeaz ca surs de cldur : aerul din imediata apropiere, aerul evacuat de ctre
instalaia de climatizare cldur de de-supranclzire.
Prepararea apei calde menajere
Producerea de ap cald menajer prezint alte cerine n comparaie cuproducerea agentului termic pentru nclzirea spaiilor, i anume:
- alimentarea cu ap cald se face pe parcursul ntregului an la debite i
temperaturi aproximativ constante
- nivelul de temperatur solicitat este sensibil mai ridicat dect cel pentru un
sistem modern de nclzire prin pardoseal
Mrimea rezervorului-acumulator depinde de consumul de ap cald-menajer. Se recomand s se renune la un sistem pentru re-circularea apei calde,
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
21/43
21
deoarece consumul suplimentar de energie pe care inplic nu influieneaz nici
mbuntirea confortului, nici consumul de ap cald. n cazul n care nu se poate
renuna la re-circularea acesteia trebuie limitat la orele de vrf de consum. Un
rezervor-acumulator este prezentat n figura 6.
Figura 6. Rezervor acumulator
Pentru nclzirea locuinelor i prepararea apei calde menajere cele mai
utilizate variante sunt:
- Pompa de cldur aer-ap
- Pompa de cldur ap-ap
- Pompa de cldur sol-ap: cu colectori orizontali, cu sonde
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
22/43
22
INDICATORII ENERGETICI SI ECONOMICI AI POMPELOR DE
CALDURA
Pentru stabilirea performantelor pompei de caldura precum si a ansamblului
pompa de caldura - instalatie, este necesara cunoasterea indicatorilor energetici si
economici ai acestor sisteme.
Indicatori energetici
Indicatorii energetici necesari analizei implementarii pompelor de caldura in
instalatiile de incalzire sunt: eficienta reala a pompei de caldura PC,R, eficienta
globala a pompei de caldura PC,G, eficienta globala a instalatiei I,G, eficienta
globala anuala a pompei de caldura PC,G,ANsi eficienta globala anuala a sistemului
de incalzire SI,G,AN.
Functionarea unei pompe de caldura este caracterizata Cprin coefi cientul de
performanta COP, definit ca raportul dintre efectul util produs (energia termica
furnizata, EC) si energia consumata pentru obtinerea lui (energia de actionare,
EA).
Acest indicator este denumit si efi cienta a pompei de caldura, PC.
A
CPC
E
ECOP
Din bilantul energetic al pompei de cladura, se poate evidentia legatura dintre
eficienta unei instalatii care lucreaza ca pompa de caldura (PC) sau ca instalatie
frigorifica (IF):
IF
A
IZ
A
AIZPC
EE
EEE 11
Cele mai rentabile sisteme sunt cele care utilizeaza simultan cu caldura
produsa si efectul frigorific adiacent EIZ, in acest caz eficienta totala este:
IZPC
IZ
IZAIZ
A
IZCIFPC
E
EEE
E
EE
Cand in calcul nu se considera pierderile energetice care insotesc atat
preluarea si cedarea caldurii, cele din procesele termodinamice ale fluidului de
lucru cat si cele referitoare la utilizarea energiei de actionare, eficientele sunt
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
23/43
23
teoretice. Daca se iau in calcul si pierderile energetice din procesele reale,
eficientele devin reale.
Eficiente teoretice
In functie de temperaturile de referinta, se deosebesc doua eficiente teoretice
ale pompei de caldura:
a) eficienta teoretica a surselor, PC,TS.
In acest caz procesele termodinamice parcurse de fluidul de lucru sunt
considerate ideale si se iau in calcul temperaturile celor doua surse de caldura: a
izvorului, TIZsi a consumatorului, TC, obtinand:
C
IZIZC
CTSPC
T
TTT
T
1
1,
b) eficienta teoretica a ciclului, PC,TC.
Procesele termodinamice parcurse de fluidul de lucru sunt considerate ideale
dar, apreciind pierderile datorate ireversibilitatilor externe, prin diferentele finite de
temperatura dintre medii, din aparatele in care se preia de la izvor si se cedeaza
consumatorului caldura, in calcul intervin temperaturile intre care se desfasoara
ciclul ideal al pompei de caldura, cea din vaporizator, TVsi cea din condensator,
TCd.
In acest caz, eficienta coincide cu cea a ciclului Carnot inversat, parcurs
intre aceleasi temperaturi, C.
Vcd
cdCTCPC
TTT
,
Cum TCd> TC si TV< TIZ, rezulta PC,TC< PC,TS.
Eficiente reale
a) eficienta reala a ciclului, PC,RC.
Aceasta se poate determina luand in considerare si pierderile j, datorate
ireversibilitatilor interne, prin frecarile ce insotesc procesele reale de comprimare
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
24/43
24
si de destindere, apreciate de ex, randamentul exergetic al ciclului termodinamic
real, parcurs de pompa de caldura:
jvCD
cdexCRCPC
TT
T1,
Figura 1. Variatia eficientei reale a ciclului pompei de caldura cu electrocompresor
PC,RCin functie de temperatura de vaporizare tVsi de condensare tCd
In figura 1 este prezentata dependenta eficientei reale a ciclului pompei de
caldura cu compresie mecanica, actionata cu motor electric, in functie de
temperatura de vaporizare si de condensare. Valorile rezultate sunt mai mici cu cca
40...60% decat cele corespunzatoare eficientei teoretice a ciclului.
Daca temperatura consumatorului de caldura este constanta (de exemplu,
temperatura interioara a spatiului de incalzit), atunci performanta reala a pompei de
caldura variaza numai cu temperatura de vaporizare (indirect cu cea a izvorului),
conform curbei 3 din figura 2.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
25/43
25
Figura 2. Variatia diferitelor eficiente ale unei pompe de caldura aer/aer cu
temperaturaexterioara te (pentru temperatura interioara ti = 20C).
b) eficienta reala a pompei de caldura cu electrocompresor R,PCEK,
Particularizand formele de energie care intervin in cazul pompei de caldura cu
electrocompresor, eficienta reala se poate defini ca:
K
cdPCEKR
P
,
unde:
cd - puterea termica instantanee cedata de condensator si eventual de ventilatorul
acestuia, in W;
PK- puterea electrica absorbita de motorul compresorului, in W.
Obtinuta prin incercari termice, R,PCEK include atat imperfectiunile
transferului caldurii (diferentele de temperatura din vaporizator si condensator), cat
si pierderile termodinamice, mecanice si electrice ale compresorului, fiind frecventindicata de constructorii de asemenea pompe de caldura. Coincide cu eficienta
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
26/43
26
reala a ciclului, PC,RC(curba 3 din figura 3).
c) eficienta globala a pompei de caldura, PC,Gcorespunde puterii medii orare a
condensatorului Cd,mh si puterii electrice medii orare absorbite de compresor PK,
mh, dar si de utilajele auxiliare Paux,mh(ventilatoare, pompe, rezistente electrice
pentru degivrare sau incalzire a carterului):
mhauxK
mhcd
GPCPP ,
,
,
Daca izvorul de caldura este aerul exterior, poate apareaC givrarea
suprafetei vaporizatorului, diminuandu-i performantele (vezi curba 4 din figura 3).
d) eficienta globala a instalatiei, I,G; la sistemele de preparare centralizata a
caldurii se tine seama si de pierderile din reteaua de distributie, P, incat la
consumator ajunge numai puterea termica orara medie utila, C,mh,u,obtinandu-se:
mhauxmhK
PGPC
mhauxmhK
umhC
GIPPPP ,,
,
,,
,,
,
Aceasta eficienta, redata de curba 5 din figura 3, caracterizeaza complet
calitatea pompei de caldura.
In general, utilizatorul pompei de caldura este interesat de performanta
acesteia pentru o perioada de timp (de exemplu un an), folosindu-se atunci
indicatoriisezonieri:
e) eficienta globala, anuala a pompei de caldura, PC,G AN.
Aceasta corespunde mediei anuale a eficientei globale PC,G, in timpul
sezonului de incalzire:
mANauxmANK
mANCd
ANGPCPP ,,
,
,,
Daca nzkeste numarul de zile de incalzire, cand temperatura exterioara este
tk, in functie de zona climatica, iar nhk este numarul de ore pe zi, de functionare a
pompei de caldura, la temperatura tk, numarul anual de ore de functionare a pompei
de caldura nANva fi:
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
27/43
27
zk
tt
tthkAN nnn
nck
ek
unde:
te - temperatura exterioara, in perioada de incalzire, in C
tnc- temperatura exterioara peste care nu se solicita incalzirea datorita aporturilor
termice gratuite ale cladirii.
Cu acestea, PC,G ANse poate scrie sub forma:
zk
tt
tthk
GkPCzk
tt
tthk
ANGPC
nn
nn
nck
ek
nck
ek
,
,,
PC,Gk- eficienta globala a pompei de caldura, pentru te= tk.
Nu sunt luate in consideratie nici pierderile din reteaua de distributie a
caldurii si nici caldura cedata de sursa clasica (de varf).
Aceasta eficienta cunoscuta si sub denumirea de eficienta sezoniera pentru
incalzir e, ESI, este utilizata deobicei pentru intocmirea bilanturilor energetice ale
instalatiilor echipate cu pompe de caldura.
f) eficienta globala, anuala, a instalatiei, I,G,AN.
Este similara cu PC,G,AN, dar ia in consideratie si pierderile din reteaua de
distributie a caldurii pana la consumator.
g) eficienta globala, anuala a sistemului de incalzire, SI,G,AN.
Acum sunt luate in calculul atat caldura cedata de sursa de varf, V,m,AN, cat
si puterea consumata pentru actionarea acestei instalatii alternative, PV,m,AN, in
cazul functionarii in regim bivalent:
mANVmANauxmANK
mANVmANCd
ANGSIPPP ,,,
,,
,,
Aceasta eficienta este denumita si coeficient de ef icacitate sezoniera CES.
In cazul instalatiilor reversibile (pompa de caldura iarna si instalatie
frigorifica vara), se utilizeaza o efi cienta sezoniera de incalzire si racire, ESIR,
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
28/43
28
care raporteaza puterea termica totala furnizata de instalatie, functionand ca pompa
de caldura sau ca instalatie de racire, timp de un an, la puterea electrica totala,
consumata in aceeasi perioada.
Fata de cele mentionate anterior, trebuie subliniat ca pompele de caldura
consuma o energie de actionare calitativ diferita, functie de tipul instalatiei. Astfel,
instalatia cu compresie mecanica poate fi actionata cu energie electrica sau cu
combustibil, in timp ce instalatia cu absorbtie sau ejectie este actionata cu energie
termica. Daca se tine seama si de randamentele mult diferite de producere chiar a
aceleasi forme de energie (de exemplu energia electrica poate fi produsa cu = 0,8
in centralele hidroelectrice, cu = 0,38...0,41 in centralele termoelectrice sau cu
= 0,31...0,33 in centralele atomoelectrice), se poate concluziona ca raportarea
puterii termice livrate consumatorului la puterea de actionare a instalatiei nu
serveste decat la compararea performantelor unor pompe de caldura de acelasi tip.
Pentru a putea compara corect performantele unor pompe de caldura de
tipuri diferite, trebuie uniformizata energia de actionare. In acest sens, se
raporteaza puterea termica utila livrata anual, u,AN, la consumul anual de
combustibil echivalent, BCE,AN, necesar producerii puterii de actionare, obtinandu-
se gradul de uti li zare alcombustibilului, AN:
ANCE
ANu
ANB ,
, , (kW/kg)
Indicatori economici
De regula pompa de caldura realizeaza o economie de combustibil E
(cheltuieli de exploatare) fata de instalatia clasica (centrala termica, incalzire
electrica). Deci, la acelasi consum de combustibil, pompa de caldura livreaza mai
multa caldura consumatorului, prin aportul gratuit al caldurii preluata de la izvorul
de caldura. Economia de combustibil este dependenta de tipul pompei de caldura si
va fi prezentata detaliat intr-un alt curs.
Pe de alta parte, pompele de caldura implica o investi tie supl imentara IPCfata de
cea a instalatiei clasice ICT, care produce aceiasi cantitate de caldura.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
29/43
29
Oportunitatea implementarii unei pompe de caldura intr-un sistem de
incalzire rezulta pe baza atat a criteriilor energetice cat si a celor economice.
Astfel, se poate determina numarul de ani in care se recupereaza sporul de
investitie, I = IPC-ICT (lei), pe seama economiei de exploatare realizata prin
consumul mai scazut de combustibil, E = ECT-EPC(lei/an):
E
In
, (ani)
Se apreciaza ca un numar de 8-10 ani este acceptabil, dar aceasta limita
variaza in timp, functie de politica energetica a tarii si de cerintele ecologice.
Micsorarea perioadei de amortizare a investitiei suplimentare se poate realiza prin
prelungirea functionarii pompei de caldura, asigurand o functionare bivalenta, de la
3000 ore/an la 4000 ore/an si chiar la 6-7000 ore/an prin utilizarea alternativa a
instalatiei, iarna ca pompa de caldura, vara ca instalatie frigorifica.
ANALIZA ENERGETICA A PRODUCERII CALDURII
Caldura necesara incalzirii cladirilor si a prepararii apei calde menajere si
sanitare se poate produce cu o sursa clasica (cazan termic) sau cu o pompa de
caldura.
Pentru o analiza energetica a modurilor de producere a caldurii consideram
aceiasi cantitate de energie primara (combustibil gazos de exemplu) si analizand
pierderile ce intervin in procesele de producere a caldurii obtinem in fiecare caz
analizat cantitatea de caldura produsa de instalatie (cazan termic sau pompa decaldura). Se poate evidentia astfel gradul de utilizare a combustibilului de fiecare
instalatie.
Producerea caldurii cu un cazan termic
Sunt analizate doua cazuri, dupa tipul de combustibil utilizat: lichid sau
gazos.
a) Energia pr imara: pacura.In figura 1 este prezentata schema de producere a caldurii cu un cazan
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
30/43
30
termic alimentat cu pacura.
Figura 1. Producerea caldurii cu un cazan cu pacura
Astfel, din energia primara EP (100%) reprezentata de combustibil, scazand
pierderile referitoare la acesta COMB(rafinare, transport, descarcare si manipulare),
apreciate la 10%, obtinem energia combustibilului efectiv intrata in cazan, ECOMB.
Considerand un randament al cazanului CAZ= 0.70.78, care ia in consideratie
atat pierderile prin arderea incompleta, prin radiatie si prin gazele arse,
dar si cele datorate functionarii la sarcina partiala, rezulta caldura utila ucedata
consumatorului de caldura:
COMBPCOMB EE 1
CAZCOMBPCAZCOMBU EE 1
Gradul de valorificare a energiei primare, la un cazan cu pacura, va fi:
63.07.01.011,
CAZCOMBP
uCTpacuraAN
E
In figura 2 se prezinta bilantul energetic al cazanului cu pacura, tinand
seama de consideratiile mentionate.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
31/43
31
Figura 2. Bilantul energetic al cazanului cu pacura
b) Energie primara: gaze.
In acest caz nu exista pierderi referitoare la combustibil (COMB = 0), iar
randamentul minim al unui cazan cu gaz este mai mare decat cel cu pacura (CAZ=
0.8), incat obtinem:
CAZPU E
8.0,
CAZP
uCTpacuraANE
Bilantul energetic al unui cazan alimentat cu combustibil gazos este prezentat in
figura 3.
Figura.3. Bilantul energetic al cazanului cu combustibil gazos.
Producerea caldurii cu pompe de calduraa) Pompa de caldura cu comprimare mecanica, cu motor electric.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
32/43
32
Figura 4. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu electrocompresor (PCEK).
Figura 4 prezinta schema de producere a caldurii cu o pompa de caldura cu
electrocompresor. Caldura poate fi produsa integral de poma de caldura
(functionare individuala) sau partial de pompa de caldura si complementar de o
sursa clasica (functionare bivalenta).
* Functionare individuala
In vaporizatorul V al pompei de caldura este preluata calduraIZVde la un
izvor de caldura. Tinand seama de pierderile ce intervin la preluarea acestei calduri
(IZV= 10%), datorate diferentelor de caldura dintre mediile ce transporta caldura,
putem obtine puterea termica a vaporizatorului 0.
Energia de actionare a pompei de caldura Ep,PC, deci pentru antrenarea
motorului electric M al compresorului K, este produsa intr-o centrala termo-
electrica cu un randament EL = 0.38. Considerand si pierderile intervenite la
transportul energiei electrice (de la CTE la motorul electric, EL = 2%) si cele
referitoare la antrenarea compresorului (consideram un randament mecanic m =
0.97) rezulta puterea PKconsumata de compresor.
mELELPCPK EP 1,
Considerand un coeficient de performanta al pompei de caldura PC= 3...5,
putem obtine fluxul de caldura cedat de condensatorul C, C:
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
33/43
33
PCKC P
Aceasta este deci caldura utila cedata consumatorului de caldura, U:
PCmELELPCPCPCUU E 1,,
Gradul de valorificare a energiei primare la pompa de caldura cu
electrocompresor, cu functionare individuala, va fi deci:
083.1338.097.002.011,
,
PCELmELPCP
uCTpacuraAN
E
Daca in cazul producerii caldurii cu un cazan termic gradul de valorificare a
energiei primare este < 1, in cazul pompelor de caldura el este > 1, deci se produce
mai multa caldura decat energia primara utilizata. In cazul pompei de caldura cu
electro-compresor AN,PCAEK= 0.8 (ca la cazanul cu gaze) daca PC= 2.21, situatie
la care nu se mai recomanda ca pompa de caldura sa functioneze.
Bilantul energetic al producerii caldurii cu o pompa de caldura cu
electrocompresor cu functionare individuala este prezentat in figura 5.
Figura 5. Bilantul energetic al PCEK
* Functionare bivalenta
In acest caz pompa de caldura este cuplata cu o sursa clasica de producere a
caldurii, (consideram un cazan cu gaze pentru a putea face comparatia cu cazulproducerii caldurii integral de acesta), care intra in functionare cand apare un varf
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
34/43
34
de consum si cererea de caldura nu poate fi satisfacuta complet de catre pompa de
caldura. Deci caldura utila cedata consumatorului de caldura U este partial
acoperita de pompa de caldura, U,PCsi partial de cazanul termic U,CT:
CTUPCUU ,,
Caldura utila oferita de pompa de caldura reprezinta cca 6570%, restul de
3530% este asigurata de cazan (fie simultan cu pompa de caldura, fie la o
functionare doar a cazanului, cand temperatura exterioara este mai coborata si
functionarea pompei de caldura nu se mai recomanda).
Caldura utila cedata de pompa de caldura va fi:
PCmELELPCPCPCU
E 1.,
Caldura utila cedata de cazanul termic cu gaz va fi:
CAZCTPCAZCOMBCTU EE ,,
Considerand ca
CTUPCU ,, 2
si ca
%100,, CTPPCP EE
se propune ca necunoscuta una din cele doua energii primare (EP,PC =x) si
considerand pierderile, randamentele si eficienta pompei de caldura luate in calcul
anterior, bilantul global al instalatiei devine:
CAZPCmELEL xx 121
relatie care conduce la solutia: x = 59.62.
Cu aceasta, caldura utila cedata consumatorului de caldura devine:
%9.968.038.40397.002.0138.062.59 U
rezultand urmatoarele participatii ale celor doua utilaje in caldura utila cedata
consumatorului:
%7.666.64, PCU din totalul caldurii cedate;
%3.333.32, CTU din totalul caldurii cedate.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
35/43
35
Figura 6. Bilantul energetic al instalatiei cu functionare bivalenta (PCEK + CT)
Gradul de valorificare a combustibilului la instalatia cu functionare bivalenta
(pompa de caldura cu electrocompresor si cazan termic cu gaze) va fi deci:
969.0,
P
uCTPCEKAN
E
evident mai mai mic decat in cazul pompei de caldura cu electrocompresor cu
functionare individuala, reducerea fiind datorata utilizarii si a cazanului termic.
In figura.6. se prezinta bilantul energetic al instalatiei de producere a caldurii
cu functionare bivalenta (pompa de caldura cu electrocompresor si cazan termic cu
gaze).
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
36/43
36
b). Pompa de caldura cu comprimare mecanica, cu motor termic
Figura 7. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu motor termic
Motorul termic MT este mai scump decat unul electric, fiind dotat cu un
dispozitiv de racire cu apa, RM si eventual cu un recuperator de caldura din gazele
arse, RG. In acelasi timp, exista posibilitatea recuperarii unei cantitati de caldura,
altfel pierduta in mediul ambiant, prin racirea motorului si a gazelor de ardere (ce
rezulta din combustibilul care alimenteaza motorul termic). Aceste fluxuri de
caldura (RMRG) se adauga celui cedat de condensator (C), obtinand astfel, atat
o cantitate mai mare de caldura cedata consumatorului, cat si un potential termic
mai ridicat (apa calda preparata se poate incalzi inseriat functie de solicitareaconsumatorului). Cum temperatura de condensare este limitata de presiunea
fluidului de lucru, in condensator se va realiza prima treapta de incalzire. Apa
calda va fi incalzita in continuare in racitorul motorului iar incalzirea de varf va fi
realizata pe seama gazelor arse.
Bine inteles ca si aceasta pompa de caldura poate functiona in regim
bivalent, cuplata cu o instalatie clasica de producere a caldurii, caz in care
determinarea gradului de valorificare a combustibilului se face similar pompei de
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
37/43
37
caldura cu motor electric, dar pentru simplificare se va prezenta doar situatia
functionarii individuale.
RGRMCRECCU
unde:
PCMAUXPPCMCOMBPCKC EEP 1
RECmCOMBREC E 1
Consideram un randament al motorului termic M = 0.3, un randament al
recuperarii de caldura in cele doua schimbatoare de caldura, racitorul motorului
termic RM si racitorul de gaze arse RG, REC = 0.8, un coeficient de performanta a
pompei de caldura PC = 3, pierderile la preluarea caldurii de la izvor, IZV= 10%si pierderile auxiliare datorate suflantei de gaze arse si pompei de apa racire a
motorului termic AUX = 3%. Obtinem astfel gradul de valorificare a energiei
primare in cazul pompei de caldura cu motor termic, la o functionare individuala:
416.1
8.03.0133.003.0111,
RECmPCMAUXP
uPCMTAN
E
Conform normelor germane DIN 4701, proportia fluxurilor de caldura
datorate condensatorului pompei de caldura si recuperarilor de caldura din totalul
caldurii utile cedate consumatorului este:
C= (0.530.7)u; REC= (0.470.3)u
Se remarca gradul ridicat de valorificare a energiei primare in acest caz,
compensand investitia superioara fata de o pompa de caldura cu motor electric.Astfel, de cate ori exista posibilitatea alimentarii pompei de caldura direct cu
combustibil se recomanda aceasta instalatie. Bilantul energetic al pompei de
caldura cu motor termic este prezentat in figura 8.
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
38/43
38
Figura 8. Bilantul energetic al pompei de caldura cu motor termic
c) Pompa de caldura cu absorbtie.
Exista doua variante de instalatii frigorifice cu absorbtie: cu solutie
apaamoniac (cu temperaturi de vaporizare positive sau negative) si cu solutie
bromura de litiu-apa (cu temperaturi de vaporizare doar positive), ambele
utilizabile si ca pompe de caldura. In acest caz este analizata cea cu solutie apa-
amoniac, care poate fi cuplat cu izvoare de caldura cu temperaturi mai variate.
Schema producerii caldurii cu o pompa de caldura cu absorbtie cu solutie apa-
amoniac este prezentata in figura 9.
Caldura IZVde la izvorul de caldura, diminuata cu pierderile IZV, ajunge in
vaporizatorul V al pompei de caldura, unde serveste la vaporizarea amoniacului
(0).
Compresorul actionat de un motor electric sau termic, de la instalatia cu
compresie mecanica, este inlocuit acum de compresorul termochimic, alcatuit
din ansamblul de utilaje: absorbitor A, pompa de solutie concentrata PS,
economizor E, fierbator F, deflegmator DF si ventil de laminare pentru solutia
diluata VLS. Actionarea compresorului termochimic implica alimentarea
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
39/43
39
fierbatorului cu energia termica F cedata de un agent incalzitor (abur, condens,
apa calda, gaze calde), sau de un combu-stibil si a pompei de solutie cu energia
electrica PP. In acelasi timp, se produce caldura A in absorbitor si DF in
deflegmator. Astfel, caldura utila cedata consumatorului de caldura, adaugand si
caldura Ccedata in condensatorul C va fi:
ADFCU
Figura 9. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu absorbtie in solutie apa-
amoniac
Similar pompei de caldura cu compresie mecanica cu motor termic, si aici
caldura utila este preparata in 3 utilaje, rezultand atat o cantitate mai mare cat si un
potential termic superior. Cum temperatura de condensare este limitata de
presiunea maxima din instalatie, condensatorul constituie prima treapta de
incalzire; urmeaza incalzirea din deflegmator, pe seama vaporilor supraincalziti de
amoniac si cea finala din absorbitor.
Comparativ cu caldura C cedata in condensator, caldura DF reprezinta
1530%, iar A 150170%, deci in acest caz caldura utila este dubla fata de
pompa de caldura cu electrocompresor, cand se producea caldura doar in
condensator. In acelasi timp, trebuie mentionat ca si energia de actionare afierbatorului este mult mai mare decat cea necesara actionarii compresorului (F>
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
40/43
40
PK), dar fiind energie termica este mai usor d e produs, fiind deci mai ieftina, mai
ales cand se poate utiliza un agent termic deseu. Energia electrica necesara
antrenarii pompei de solutie este neglijabila (PP 0.005F).
Desi pompa de caldura cu absorbtie este mai complicata decat cea cu
electrocompresor, faptul ca nu are piese in miscare (doar pompa de solutie), deci
are un grad redus de uzura care conduce la o perioada dubla de utilizare, face
aceasta instalatie rentabila, mai ales la puteri termice mari.
Utilizand relatia coeficientului de performanta al acestei pompe de caldura:
PCPFADFC
unde:
TRCAZCTPF E ,
mELELPPP EP 1,
in care mELELCAZ si ,, au valorile considerate in exemplele anterioare, iar
randamentul transportului agentului incalzitor de la CT la fierbator, TR = 0.97.
Coeficientul de performanta uzual al pompei de caldura cu absorbtie in solutie apa
- amoniac PC.= 1.58.
Stiind ca energia primara pentru aceasta pompa de caldura este compusa din
cea necesara producerii agentului incalzitor (pentru alimentarea fierbatorului) si
din cea electrica pentru alimentarea pompei de solutie:
%100,, PPCTPP EEE
si considerand necunoscuta EP,P= x, cu relatia dintre Fsi PPobtinem:
TRCAZmELEL xx 1005.01
cu solutia: x = 0.01
Caldura utila cedata de aceasta pompa de caldura, utilizand si relatia (4.23)
va fi deci:
%9.12158.197.002.0138.0197.08.099
PCPFADFCU P
Gradul de valorificare a energiei primare de catre pompa de caldura cu absorbtie in
solutie apaamoniac este:
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
41/43
41
219.1,
P
UPCAAN
E
Bilantul energetic al acestei pompe de caldura este prezentat in figura 10.
Figura 10. Bilantul energetic al pompei de caldura cu absorbtie in solutie apa -
amoniac
d) Pompa de caldura cu ejectie
Producerea caldurii cu pompa de caldura cu ejectie este prezentata in figura
11.
Caldura preluata de la izvorul de caldura IZV , diminuata cu pierderile
inerente IZV , este utilizata in vaporizatorul V (0). Pentru antrenarea vaporilor
produsi in vaporizator, ejectorul E utilizeaza energia adusa de aburul de actionare
AB, produs intr-o centrala termica cu combustibil gazos.
Cele doua energii termice, din vaporizator 0 si de la aburul de antrenare a
ejectorului ABse regasesc in fluxul de caldura Ccedat in condensatorul C catre
consumatorul de caldura:
ABCU 0
Cu coeficientul de performanta al acestei pompe de caldura (PC = 1.25)
obtinem:
PCTRCAZPPCABC E
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
42/43
42
Figura 11. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu ejectie
Gradul de valorificare a energiei primare de catre pompa de caldura cu ejectie va fi
deci:
97.025.197.08.0,
PCTRCAZP
UPCEAN
E
Este evident cel mai scazut grad de valorificare a energiei primare de catre o
pompa de caldura cu functionare individuala, din cauza marelui consum de energie
de actionare a ejectorului, impus de randamentul foarte scazut al acestui
compresor. Raman valabile insa consideratiile referitoare la tipul de energie de
actionare (termica, deci mai usor de produs) mentionate si la pompa de caldura cu
absorbtie. Totusi, chiar si in acest caz, se produce mai multa caldura decat in cazul
prepararii clasice (cu cazan termic). Bilantul energetic al pompei de caldura cu
ejectie este prezentat in figura 12.
In tabelul 1 sunt prezentate rezultatele analizei energetice a producerii
clasice a caldurii (cu cazane termice) si cu diferite pompe de caldura. Se
evidentiaza economiile de combustibil (energie primara) realizate de toate pompele
de caldura fata de situatia prepararii caldurii cu cazanul termic cu gaze. Este
prezentat si cazul cazanului cu pacura, care utilizand mai multa energie primara va
conduce la economii de combustibil mai mari pentru pompele de caldura.
Deasemenea, este prezentata si functionarea in regim bivalent pentru pompa de
caldura cu electrocompresor. Evident ca si celelalte pompe de caldura pot
functiona in regim bivalent, calculul gradului de valorificare a energiei primare in
8/12/2019 c14 - Pompe de Caldura.doc
43/43
aceste cazuri putandu-se face corespunzator fiecarei situatii.
Figura 12. Bilantul energetic al pompei de caldura cu ejectie
Tabel. 1. Analiza energetica a producerii caldurii
InstalatiaAN
Energia primara Ep(%) Economia de
combustibil E (%)
Cazan cu pacura 0.63 158.73 + 33.73
Cazan cu gaze 0.8 125 0
Pompa de caldura cu
electrocompresor.
(Ep= gaze).
1.083 92.34 - 32.66
ctrocompresor si
cazan.
Functionare bivalenta.
(Ep= gaze).
0.969 103.2 - 21.80
Pompa de caldura cu
compresor cu motor
termic.
(Ep= gaze).
1.416 70.62 - 54.38
Pompa de caldura cu
absorbtie. (Ep= gaze).
1.219 82.03 - 42.97
Pompa de caldura cu
ejectie.
(Ep= gaze)
0.97 103.09 - 21.91