Pompe de Caldura

Clasificarea pompelor de caldura

             Sunt  cunoscute   mai  multe   puncte  de  vedere  în  conformitate  cu  care  sunt  clasificate instalaţiile de pompe de căldura, o clasificare completa  s i riguroasa fiind foarte dificila din cauza numeroaselor tipuri constructive si condiţiilor de funcţionare.

După felul surselor de căldura utilizate pompele de căldura pot fi:

- aer-aer: au ca sursa de căldura aerul atmosferic  si folosesc aerul ca agent  purtător de căldura în clădirile în care sunt montate. La acest tip de instalaţii inversarea ciclului este deosebit de uşoara astfel în sezonul rece instalaţia este utilizata pentru încălzire iar în sezonul cald pentru condiţionare.

- apa-aer: folosesc ca sursa de căldura apa de suprafaţa sau de adâncime, apa calda evacuata din industrie, agentul purtător de căldura fiind aerul.

- sol-aer: folosesc ca sursa de căldura solul iar agentul purtător de căldura este aerul.

- soare-aer: folosesc ca sursa de căldura energia termica provenita de la soare prin radiaţie iar agentul purtător de căldura este aerul.

- aer-apa: folosesc ca sursa de căldura aerul iar ca agent purtător de căldura apa.

 - apa-apa: folosesc ca sursa de căldura apa iar ca agent purtător de căldura tot apa.

 - sol-apa: folosesc ca sursa de căldura solul iar ca agent purtător de căldura apa.

 - soare-apa: folosesc ca sursa de căldura radiaţia solara iar ca agent purtător de căldura apa

În funcţie de domeniul de utilizare a pompelor de căldura  se pot clasifica în:

-Pompe de căldura utilizate pentru încălzirea  si condiţionarea aerului în clădiri. Aceste pompe  de  căldura  utilizează  aerul  atmosferic  ca  sursa  de  căldura,  fiind  recomandabile  în regiunile cu climat temperat.

-Pompe de căldura folosite ca instalaţii frigorifice si pentru alimentarea cu căldura. Aceste pompe de căldura sunt utilizate succesiv pentru răcire în timpul verii si pentru încălzire în timpul iernii.

-Pompe  de  căldura  folosite  ca  termocompresoare.  Acestea  sunt  utilizate  în  domeniul instalaţiilor de distilare, rectificare, congelare, uscare, etc.

-Pompe de căldura utilizate în industria alimentara ca termocompresoare precum  si în scopuri de condiţionare a aerului sau tratare a acestuia în cazul întreprinderilor  de  produse zaharoase, respectiv cel al antrepozitelor frigorifice de carne.

-Pompe de căldura destinate industriei energetice. În acest caz , ele sunt folosite pentru încălzirea  camerelor  de  comanda,  sursa  de  căldura  fiind,  spre  exemplu,  apa  de  răcire  a condensatoarelor sau căldura evacuata de la generatoarele si transformatoarele electrice.

-Pompe de căldura utilizate pentru recuperarea căldurii din resursele energetice secundare. Se  recomanda  valorificarea  prin  intermediul  pompelor  de  căldura  a  căldurii  evacuate  prin condensatoarele instalaţiilor frigorifice sau a energiei apelor geotermale.

-Pompe de căldura folosite în industria de prelucrare a laptelui – acestea sunt utilizate simultan pentru răcirea laptelui si prepararea apei calde.

            În funcţie de modul de realizare al ciclului de funcţionare, precum si de forma energiei de antrenare exista următoarele tipuri de pompe de căldura:

-Pompe de căldura cu comprimare mecanica de vapori sau gaze, prevăzute cu compresoare cu piston, turbocompresoare, compresoare elicoidale antrenate de motoare electrice sau termice. În cazul acestei pompe de caldura este posibila atingerea unor temperaturi ridicate cu ajutorul sistemelor în mai multe trepte, dar acestea sunt complexe  si necesita investiţii mari. Problema cheie consta în găsirea unor fluide capabile sa condenseze la temperaturi peste 120ºC. Utilizarea amestecurilor non-azeotrope poate contribui la soluţionarea problemei s i permite chiar atingerea unei eficiente ridicate.

-Pompe de caldura cu comprimare cinetica, prevăzute cu compresoare cu jet (ejectoare)  s i care  utilizează  energia  cinetica  a  unui  jet  de  abur.  Datorita  randamentului  foarte  scăzut  al ejectoarelor  si al consumului ridicat de abur de antrenare  acest tip de pompe de caldura este din ce în ce mai puţin utilizat.

-Pompe de caldura cu comprimare termochimica sau cu absorbţie care consuma energie termica, electrica sau solara. Ele prezintă avantajul de a utiliza caldura recuperabila cu un preţ scăzut  s i nu prezintă parţi mobile în mişcare

-Pompe de caldura cu compresie-resorbtie- se afla încă în stare experimentala dar sunt foarte promitatoare  deoarece combina avantajele sistemelor cu compresie cu cele  ale sistemelor cu  absorbţie. Aceste pompe sunt capabile  sa atingă temperaturi ridicate de pâna la 180 ºC  si valori ridicate ale eficientei. Agentii termici de lucru pot fi solutii binare inofensive.

-Pompe  de  caldura  termoelectrice  bazate  pe  efectul  Peltier  si  care  consuma  energie electrica.

 Dupa puterea instalata pompele de caldura pot fi:

-instalatii  mici:  folosite  pentru  prepararea  apei  calde având o putere de pâna la 1 KW.

-instalatii mijlocii: destinate în principal pentru climatizare si încalzire pe întreaga durata a anului în locuinte relativ mici si birouri. Puterea necesara actionarii este cuprinsa între 2 pâna la 20 KW iar puterea termica poate ajunge pâna la 100 KW.

-instalatii mari: pentru conditionare si alimentare cu caldura. Aceste instalatii sunt cuplate de regula cu instalatii de ventilare, de multe ori având si sarcina frigorifica servind la racirea unor spatii de depozitare sau servind patinoare artificiale. Puterea de actionare este cuprinsa  între câtiva zeci si sute de KW iar puterea termica depaseste în general 1000 KW.

-instalatii   foarte  mari:   folosite  în  industria  chimica,  farmaceutica  pentru  instalatii  de vaporizare, concentrare, distilare. Puterea termica este de câteva mii de KW  si din aceasta cauza sunt actionate numai de compresoare. 

Pentru încalzirea locuintelor si prepararea apei calde menajere cele mai utilizate variante sunt :

 -Pompa de caldura aer-apa

-Pompa de caldura apa-apa 

-Pompa de caldura sol-apa – cu colectori orizontali ;  – cu sonde ;

 Pompa de caldura aer-apa

 Pompele de caldura sistem aer-apa se pot utiliza în prezent la fel ca pompele de caldura sol-apa sau apa-apa pe durata întregului an. În cladiri construite conform standardelor în vigoare, pompa de caldura sistem aer-apa poate functiona monovalent sau monoenergetic în combinatie cu o rezistenta electrica.

Sursa de caldura –aerul- este foarte usor de procurat si este disponibil peste tot în cantitati nelimitate, prin aer se întelege utilizarea aerului din exterior. Nu se accepta utilizarea ca sursa de  caldura în cladiri de locuit a aerului din interior pentru încalzirea locuintelor.  Aceasta se poate utiliza numai în cazuri speciale, ca de exemplu în cazul utilizarii de caldura recuperata în firmele  de productie si în industrie.

În cazul surselor de caldura pentru aer, dimensionarea sursei de caldura se stabileste în functie de tipul constructiv si de dimensiunea aparatului. Cantitatea necesara de aer este dirijata de  catre un ventilator încorporat în aparat, prin canale de aer catre vaporizator, care extrage caldura din aer.

Caracteristic acestei pompe de caldura este faptul ca poate functiona foarte usor atât în încalzire în sezonul rece, dar si în conditionare în sezonul cald. Datorita temperaturilor scazute ale aerului în sezonul rece eficienta pompei scade considerabil fata de eficienta pompelor care felosesc ca sursa de caldura solul sau apa. 

 

PDC aer-apa cu modulul de aer in interior

 

                                                  PDC aer-apa cu modulul de aer in exterior.

Cu toate ca PDC aer –apa are cel mai scazut COP dintre toate PDC la care facem  referire, ea este, alaturi de PDC sol-apa, una dintre cele mai vandute PDC din Europa.  Sistemul aer-apa este un sistem relativ simplu de montat si nu necesita lucrari speciale de amenajare ( sapaturi, foraje, etc.)  Dezavantajul major al sistemului este faptul ca nu poate functiona monovalent la temperaturi foarte scazute (incepand de la cca.-15ºC).

Aceste PDC pot functiona bivalent- paralel monoenergetic prin folosirea unei rezistente electrice care intra in functiune la temperaturi foarte scazute ( sub -15º C). Datorita acestui fapt puterea de incalzire este limitata.  Cu toate dezavantajele prezentate PDC aer-apa este extrem de utilizata atat la sistemele de preparare a apei calde menajere cat si la incalzire.

Acest sistem aer- apa-poate fi utilizat pe scara mare si la incalzirea piscinelor:

 

PDC aer-apa are si capacitatea de a improspata si raci aerul din anumite incaperi in paralel cu producerea apei calde menajere.  Aceste sisteme se preteaza in special la dotarea caselor cu consum scazut de energie (case eficiente) sau la utilarea caselor passive . 

Pompa de caldura, alternativa eficienta la centralele termice

Ce sunt pompele de caldurã ?

            Pompele de cãldurã utilaje moderne utilizate  ca  alternativã la centralele termice pe hidrocarburi, având însã o eficientã cu 50-80% mai mare.

             Pompele de caldura sunt  actionate electric si oferã posibilitãti tehnice de economisire a energiei primare (combustibil), contribuind in mod eficient la  reducerea emisiilor de noxe (CO2,NOx).

 Realizarea unui randament maxim al pompei de caldura precum si reducerea necesarului de caldura este posibila in locatiile cu o izolatie termica imbunatatita, prin preluarea a  aproximativ 75% din energia necesarã pentru încãlzire (climatizare) din mediul exterior iar pentru restul, utilizand energie electricã.

Cum functioneazã pompa de caldurã ?

             O pompã de cãldurã poate functiona atât vara cât si iarna, ceea ce este foarte convenabil din punct de vedere al amortizãrii investitiei.

             În perioada de iarnã cãldura poate fi captatã din mediul înconjurator prin serpentine plasate în aer, sol sau apã (ape freatice, ape curgãtoare sau lacuri), din pompa de cãldurã rezultând apã cu temperatura maximã de 45-50°C care serveste la incãlzirea clãdirilor.

             Pe timp de varã cãldura preluatã din încãperi este evacuatã în mediu, realizându-se climatizarea prin instalatiile interioare aceleasi ca pentru încãlzire (ventiloconvectoare) prin care se vehiculeazã un agent la temperatura de min. 7°C. Coeficientul de performantã uzual al pompelor de cãldurã este 3-4, ceea ce înseamnã cã la fiecare unitate de energie electricã introdusã în sistem obtinem 3-4 unitãti de energie termicã, diferenta de 2-3 unitãti provenind din mediul înconjurãtor.

            Coeficientul de performantã este mai mare în perioada de încãlzire (iarna).

     Avantaje :

- Economii mari realizate fatã de orice alt sistem clasic;

- Reduc cu 50 – 80% costurile la încãlzire si rãcire;

- Protejarea resurselor naturale si a mediului (nu polueazã);

- Echipamente silentioase;

- Nu este necesarã utilizarea cosurilor de fum;

- Nu folosesc flacãra deschisã neexistând pericol de explozie;

- Folosesc agenti frigorifici ecologici;

- Nu necesitã personal de exploatare, functionând complet automatizat;

- Fiabilitate ridicatã;

- Periada de functionare este de 25 ani.

Principiu de functionare

            Modul de functionare al pompei de caldura corespunde modului de functionare al unui frigider.              

 În cazul frigiderului, agentul de racire scoate caldura cu ajutorul vaporizatorului, iar prin intermediul condensatorului aparatului, aceasta se transfera in încapere. În cazul pompei de caldura, caldura se extrage din mediul înconjurator (sol, apa, aer) s i se conduce la sistemul de încalzire. Circuitul agregatului de racire se realizaeza conform legilor fizicii. Agentul de lucru, un lichid care atinge punctul de fierbere la o temperatura redusa, se conduce într-un circuit si consecutiv se evapora, se comprima, condenseaza si se destinde. În vaporizator se afla agent de lucru lichid la presiune redusa. Nivelul de temperatura al caldurii ecologice din vaporivator este mai ridicat decât domeniul de temperaturi de fierbere corespunzator  presiunii  agentului  de  lucru.  Aceasta  diferenta  de  temperatura  conduce  la  o transmitere  a  caldurii  ecologice  asupra  agentului  de  lucru,  iar  agentul  de  lucru  fierbe  si vaporizeaza. Caldura necesara se preia de la sursa de caldura.

Vaporii rezultati din agentul de lucru se aspira continuu din vaporizator de catre compresor si se comprima. În timpul comprimarii cresc presiunea si temperatura vaporilor.

             Vaporii agentului de lucru ajung din compresor  în condensator care este înconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai redusa decât temperatura d e condensare a agentului de lucru, astfel încât vaporii se racesc  si se lichefiaza din nou. Energia preluata  în vaporizator   si  suplimentar,  energia  electrica  transferata  prin  comprimare,  se  elibereaza  în condensator prin condensare si se transfera agentului termic. În continuare se recircula agentul de lucru prin intermediul unui ventil de destindere  în vaporizator. Agentul de lucru trece de la presiunea ridicata a condensatorului la presiunea redusa a vaporizatorului. La intrarea în vaporizator se ating din nou presiunea si temperatura initiala  , astfel circuitul se închide.