7. pompe de caldura

8/7/2019 7. POMPE DE CALDURA

1/64

Pompe de caldura. Aplicaii n sectorul cldirilor

POMPE DE CALDURA. APLICAII N SECTORUL CLDIRILOR

Actualitatea pompelor termice n contextul reducerii emisiilor nocive i alepuizrii combustibililor

Pompele termice reprezint mijloace foarte eficiente de nclzire pentru sezonulrece, putnd servi n perioada de var la rcire n vederea climatizrii spaiilorrezideniale. Prin utilizarea lor se pot realiza economii importante legate decheltuielile cu energia. Totodat ele permit o reducere a emisiilor poluante, nspecial a dioxidului de carbon, generator al efectului de ser i al nclzirii globale.Pe aceast cale este posibil micorarea efectelor de modificare a climei cu careplaneta se confrunt deja i care tind s se amplifice ca urmare a degajrilorcontinue i tot mai mari de dioxid de carbon rezultat din arderea combustibiliorfosili. Protocolul de la Kyoto, viznd reducerea emisiilor poluante n spe a

dioxidului de carbon, precum i perspectiva epuizrii combustibilior fosili nurmtoarea jumtate de secol au adus n discuie alternative energetice i provocrin privina dezvoltrii unor soluii noi referitoare la satisfacerea nevoilor de confortsimultan cu dezvoltarea economic. Protejnd resursele convenionale de energieprin exploatarea surselor regenerabile de joas temperatur ele constituie un sistemprietenos fa de mediu (Fig.7.1).n cazul unei pompe termice sol-ap emisiile de CO2 sunt cu aproximativ 37% mai

reduse dect cele caracteristice pentru un boiler cu gaz. n Tabelul 1 sunt prezentatedate referitoare la emisiile de dioxid de carbon specifice divereselor surse de

nclzire. Tabelul 7.1

Cercetri care erau susinute n anii 70-80 de rile nordice precum cele dinPeninsula Scandinav, Canada, ori Japonia au devenit, odat cu apariiaschimbrilor climatice, preocupri tot mai evidente pentru specialitii i firmele derenume din multe pri ale lumii.

Sistemul de nclzire Eficiena Emisia de CO2 perkWh combustibil

(kg CO2/kWh)

Emisia de CO2 perkWh cldur util

(kg CO2/kWh)Cazan pe crbune 70 0.34 0.49Cazan pe comb. lichid 80 0.28 0.35Cazan pe GPL 80 0.25 0.31Cazan pe gaz 80 0.19 0.24Pomp termic aer- 250 0.47 0.19Pomp termic sol- 320 0.47 0.15

193


2/64

Dezvoltare durabil: Instalaii pentru construcii bazate pe energie regenerabil

Sursa de cldur pentru pompa termic o poate constitui chiar mediul ambiant,acolo unde temperatura sa rmne apropiat de temperatura de 0 C, preferabildeasupra acestei valori.Principalele aplicaii din domeniul cldirilor rezideniale i comerciale sunt cele

destinate nclzirii spaiilor, al preparrii acm precum i al rcirii spaiilor (cuajutorul sistemelor cu absorbie); primele dou sunt larg rspndite n vreme cercirea spaiilor nu are aceeai extindere.Pompele termice prezint o serie de avantaje dintre care pot fi menionate:

Pentru marile companii industriale, din unele ri europene, care au ncheiatcontracte guvernamentale n vederea reducerii emisiilor de CO2 se acordscutiri de impozite de 80%; n aceast situaie pompele termice pot oferieconomii semnificative, mai ales n domeniul aplicaiilor viznddezumidificarea i uscarea.

La aplicaiile convenionale de condiionare a aerului instalarea pompelortermice conduce la reducerea important a consumului de energie i implicita costurilor aferente i a taxelor.

n cazul dezumidificrii piscinelor acoperite pompele de cldur aduceconomii considerabile.

n Suedia erau instalate n anul 2000 un numr de 14.500 pompe termicealimentate din sol, iar n Austria 160 000. Coeficientul de performan n cazulnclzirii aerului cu ajutorul pompelor termice este COP= 3,43,8 fiind deci de1,52 ori mai performante dect cele existente cu 30 de ani n urm; aceast

evoluie se datorete n principal soluiilor tehnice avansate precum ventilultermostatic de laminare (controlul mai precis al debitului de refrigerent prinschimbtorul de cldur plasat n interiorul cldirii), ventilatoarele cu turaievariabil, vaporizatoarele i condensatoarele mai eficiente, motoarele icompresoarele cu dou turaii (mai performante), tubulatura din cupru aripat lainterior (pentru creterea ariei de transfer).

194

Fig.7.1. Emisiile de dioxid de carbon pentru sistemele convenionale

(combustibil lichid, respectiv gaz natural) comparativ cu pompa termic(PDC)


3/64


Pompele termice furnizeaz 1718 TWh/an din care 1112 TWh provin dinsurse de energii regenerabile.Prenclzirea aerului atmosferic preluat cu ajutorul schimbtoarelor de cldursubterane permite cuplarea acestora la o pomp de cldur aer/aer. nclzireancperii se face cu aer, utiliznd pe lng schimbtorul de cldur subteran i unrecuperator de cldur cu plci care preia energia aerului viciat; apoi pompatermic aduce aerul la temperatura necesar confortului intern. Apa cald menajereste preparat cu ajutorul cldurii colectate de panourile solare i apoi, n caz denevoie, pompa termic adaug necesarul de energie necesar ridicrii temperaturiiapei calde menajere la nivelul cerut pentru utilizarea acesteia. n Fig.7.2. suntprezentate cteva tipuri de pompe termice disponibile pe pia, destinate a fiutilizate n casele unifamiliale.

Funcionarea eficient a pompelor termice n vederea nclzirii spaiilorrezideniale precum i a preparrii apei calde menajere implic adesea necesitatea

195

a)

b)Fig.7.2. Variante de pompe termice actuale: a) ap-ap; b)ap-aer


4/64


unei surse suplimetare (convenionale) de cldur - un cazan cu combustibilgazos/lichid/solid sau electric - pentru compensarea necesarului energetic ncondiiile climatice cele mai dezavantajoase. Cu toate c se reduc cheltuielile cucombustibilul trebuie artat c investiia iniial caracteristic pompei termice estemai mare dect cea necesar la instalarea unui mijloc de nclzire convenional.De regul pompele termice se instaleaz fie n exteriorul cldirii, ceea ce reduce

transmiterea vibraiilor i zgomotului caracteristic funcionrii acestora, sauntr-un subsol tehnic al cldirii pe care urmeaz s o nclzeasc. n Fig.7.3.este prezentat o astfel de pomp termic instalat ntr-o cas unifamilial; eaconstituie un sistem prietenos fa de mediu, protejnd resursele prinexploatarea surselor de joas temperatur.

n cldirile mici sau medii destinate birourilor sunt adesea alese pompele decldur avnd ca surs de cldur aerul. ns n marile cldiri sunt mai degrabconvenabile pompele de cldur de tip ap-ap n combinaie cu sistemele decondiionare a aerului. Un boiler suplimentar va completa instalaia alimentat depompa termic n zilele excesiv de friguroase, sau n perioadele cu ocupare redus,dar prelungit. Cldura n exces care este evacuat poate fi i ea stocat nrezervoare de ap cald.

196

Fig.7.3. Instalarea pompei termice se face de regul n subsolultehnic al casei


5/64


Pompele termice frecvent ntlnite pe pia sunt n gama de puteri 1030 kW,fiind ns n continu extindere; preurile specifice de achiziie ale pompelortermice scad odat cu creterea puterii acestora ( o pomp termic de 1,7 kWcost aproximativ 1000 $, iar una de 5 kW revine la un pre cuprins ntre2000 i 3000 $, n vreme ce la puteri ce depesc 10 kW preul poate ajungela 40005000 $).

Dac supradimensionarea pompei termice conduce la funcionarea ciclicexagerat a acesteia, subdimensionarea sa atrage consumuri suplimentare decombustibil pentru sistemul de nclzire auxiliar; acesta din urm trebuiedimensionat cu atenie avnd n vedere temperatura medie a aerului din timpuliernii.

Principiul de funcionare i bilanul energetic

Cunoscut ca principiu din primii ani ai secoului douzeci, pompa termic a aprutca aplicaie practic naintea celui de-al doilea rzboi mondial ca urmare aembargoului crbunelui impus Elveiei; ns abia n anii 60 i-a fcut loc ncataloagele de produse ale unor firme specializate n instalaii frigorifice i declimatizare. Astzi gama produselor de acest tip este n continu lrgire att cadomeniu de puteri ct i din punct de vedere al performanelor, ca urmare acreterii necontenite a numrului de firme productoare.Pompa termic transfer energia termic de la un nivel de temperatur mai sczut

ctre unul de temperatur mai ridicat utiliznd n acest scop energie mecanicprin care se antreneaz compresorul, conform Fig.7.4.

Aadar pompa termic transform energia mecanic (electric) n energie termicdoar ntr-o msur redus, cca 25%33%. Cel mai adesea energia mecanic esteobinut cu ajutorul unui electromotor alimentat de la reeua de electric, ns

197

Fig.7.4. Schema de principiu a pompei termice


6/64


exist i situaii n care pompa termic este antrenat de un motor diesel. Principiulde baz al pompei termice este acelai cu cel al instalaiilor frigorifice, sau al celorde condiionare a aerului, ns temperaturile ntre care lucreaz difer de celecaracteristice acestor instalaii. Energia electric furnizat electromotorului careantreneaz pompa termic pcinE reprezint aportul necesar pentru funcionareaacesteia, Fig.7.5.

Energia auxiliar total pcW necesar pentru buna funcionare a sistemului, estedestinat n principal pentru pompa sursei, precum i pentru sistemul de control isupraveghere al pompei de cldur. Conform standardului EN 14511 (vechiul EN

255) n estimarea energiei auxiliare se iau n considerare doar pierderile de sarcinexterne.Energia corespunztoare pompelor de acionare n cazul sistemelor hidraulicedecuplate de reeaua de distribuie (ca n cazul stocrii n paralel) trebuie adugatla energia auxiliar. La sistemele fr decuplare hidraulic de sistemul dedistribuie valorile COP vor trebui corectate n concordan cu cderile de presiuneinterne pompei de cldur.

198

pcpcrtpcinpcpierdpciespcin WkQQQE +=

Fig.7.5. Bilanul energetic al pompei termice cu acionare electric


7/64


8/64


Punctul de echilibru definete temperatura de la care devine necesar utilizareaunei surse suplimetare de cldur. La pompele termice avnd ca surs de clduraerul, punctul de echilibru se situeaz n domeniul valorilor negative, dar apropiatede zero Celsius, Fig.7.7.

Temperatura de echilibru a cldirii reprezint valoarea peste care nu mai estenecesar nclzirea, respectiv cea sub care nu mai este necesar rcirea.Temperatura de echilibru a cldirii se poate citi la intersecia caracteristicii denclzire/rcire cu abscisa. n exemplul prezentat n Fig.7.8.

Temperatura de echilibru pentru regimul de nclzire este de 33 C, iar cea deechilibru pentru rcire este de 1,8 C. Prin urmare temperatura de echilibru acldirii n cazul nclzirii o depeete cu mult pe cea de echilibru pentru rcire.

200

Fig.7.7. Cldura furnizat de pompa termic scade simultan cu scdereatemperaturii ambiante i cu creterea necesarului de cldur al cldirii.

Punctul de echilibru aflat la intersecia celor dou curbe pune n evidentemperatura de la care devine necesatr sursa auxiliar de cldur

Fig.7.8.Variaia necersarului de cldur, respectiv de frig n cazul uneicldiri reziden iale


9/64


Prin urmare intervalul de temperatur cuprins ntre 1,8 C i 33 C reprezint ozon cu cerine contrare: att nclzire ct i rcire. Rezolvarea acestei situaii seface prin eliminarea nclzirii, respectiv a rcirii pe inervalul de temperaturcuprins ntre 10 C i 18 C.

Coeficientul de performan

Eficiena energetic a pompelor termice raporteaz energia util furnizat deacestea la energia folosit pentru atingerea scopului, fiind cunoscut sub numele decoeficient de performan, COP. Odat cu scderea temperaturii sursei de cldurse poate constata scderea coeficientului de performan, conform Fig7.9.

n general pompele de cldur au o eficien cu att mai ridicat cu ct diferena detemperatur dintre condensator i vaporizator este mai mic. De regul seconsider c pompele termice sunt economice din punct de vedere funcional daccoeficientul de performan, COP este mai mare dect 3 (2,5).De aceea utilizarea acestora sub temperaturi exterioare de 0 C nu esteconvenabil, impunnd intrarea n funciune a unei surse de cldur auxiliare.n vederea utilizrii ntr-o msur mai redus a surselor auxilare de energie (de

exemplu rezistene electrice) prezint interes coborrea temperaturii punctului deechilibru, ceea ce se poate realiza fie prin mbuntirea performanei termice aanvelopei cldirii, fie prin alegerea unei pompe termice de capacitate mai maredect cea rezultat din sarcina de rcire. ns o supradimensionare a capacitii dercire va determina, n perioada cald a anului, o funcionare ciclic excesiv cuconsecine n disconfortul de temperatur i n nivelul de umiditate i care va

201

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15

Temperatura sursei, grd C

Coeficientul

deperformanta

Fig.7.9. Dependena coeficientului de performan de temperaturasursei de cldur


10/64


conduce la scoaterea prematur din uz a pompei termice. Perioada de amortizare apompelor termice avnd ca surs de cldur aerul este de 2 pn la 7 ani.

Pierderi datorate ciclarii i factorul de degradare

Pornirea i oprirea repetat a pompei termice, aa-numita funcionare ciclic,produce pierderi. Dac emisia cldurii se face prin intermediul unui sistem cuinerie termic adecvat, aa cum este cazul pardoselii radiante, pierderile pompeitermice datorate ciclrii sunt neglijabile; dar, dac emisia cldurii se face cuajutorul convectoarelor (avnd o capacitate termic insuficient) atunci trebuieinclus un sistem de stocare avnd o mrime adecvat pentru a reduce pierderile deciclare la minim, precum i pentru a proteja sistemul de control.La pompele termice de tip split si care au aerul drept izvor de caldura schimbtorul

de cldur interior este amplasat n cldire, spre deosebire de cellat, exterior, aflatn afara cldirii. Dac se utilizeaz un sistem de control pentru pornirea-oprireacompresorului atunci refrigerentul tinde s migreze n intervalul de oprire:

Vara: din schimbtorul exterior mai cald ctre cel mai rece din interior Iarna: din schimbtorul interior mai cald ctre cel mai rece din exterior

La repornirea compresorului performana tranzitorie indic o perioad de 2...5minute n care instalaia funcioneaz la capacitate redus, pn ce pompa termicrevine din nou la ntrega sa capacitate. Aceast pierdere datorat ciclrii

compresorului este numit pierdere de ciclare.Pierderile de ciclare sunt caracterizate cu ajutorul urmtorilor parametri: Factorul de funcionare parial F Factorul sarcinii de rcire FSR Coeficientul de degradare, cd

Factorul de funcionare parial F

rs

cic

COP

COPF= (7.1)

undeCOPcic reprezint coeficientul de performan al pompei termice avnd aerul

drept surs, corespunztor ntregului ciclu, iarCOPrs reprezint coeficientul de performan al pompei termice avnd aerul

drept surs, corespunztor funcionrii n condiii staionare, adicatunci cnd compresoarele i ventilatoarele funcioneaz continu

Factorul sarcinii de rcire Fsr se calculeaz ca raport al energiei totale (pentrurcire, sau nclzire) furnizate pe parcursul unui ciclu (kWh) Hcic i produsul

202


11/64


puterii de rcire/nclzire n regim staionar, Qrs corespunztoare perioadei unuiciclu t

tQ

HF

rs

cicrsr

= (7.2)

Similar se calculeaz i factorul sarcinii de nclzire

tQ

HF

is

cicisi

= (7.2)

Coeficientul de degradare pentru regimul de rcire se calculeaz cu relaia

sr

drF

Fc

=1

1(7.3)

respectiv pentru regimul de nclzire

si

diF

Fc

=1

1(7.3)

n condiii ideale de proiectare, teoretic 1=F . n practic valorile sale suntsubunitare; din testri efectuate la o pomp termic s-a obinut 26,0=dic (0,25)pentru sezonul rece, respectiv 11,0=dic pentru cel cald.Pierderile datorate ciclrii depind de urmtoarele elemente:

1. Frecvena ciclrii (1,2,3,4,sau 5 cicluri pe or)2. Diferena de temperatur interior-exterior

3. Fraciunea de funcionare per ciclu

Corecia COP pentru funcionare n condiii de sarcin parial

Funcionarea pompei de cldur n regim intermitent (pornit-oprit) conduce lapierderi datorate faptului c aceasta nu lucreaz permanent n plin sarcin, ceea cereduce valoarea COP i implicit energia pe care o furnizeaz pompa termic nastfel de condiii, (Fig.7.10) diferite de cele standard de la testarea lor pe stand.Pentru asigurarea unor sarcini variabile se dovedete mai eficient controlul puterii

pompei de cldur prin intermediul turaiei sale. Modificarea turaiei pompei decldur se poate face n cazul acionrii sale electrice prin intermediul unuiinvertor; pe aceat cale se obine sporirea eficienei pompei de cldur.

203Fig.7.10. Corelarea caracteristicii energetice a cldirii,

respectiv a pompei termice cu temperatura i reducerea capacitii saledatorat funcionrii ciclice a acesteia


12/64


n condiiile utilizrii electromotoarelor cu turaie fix (deci fr invertoare)diminuarea ncrcrii la sarcin parial atrage scderea eficienei la valoareaCOPsp n comparaie cu cea corespunztoare sarcnii integrale COPsi

FCOPCOPsisp = (7.4)

unde factorul de corecie Fine cont de ineria termic a sistemului de distribuie acldurii la care este cuplat pompa termic precum i de caracteristicile intrinseciale unitii. Valorile F depind de tipul sistemului de distribuie a cldurii(radiatoare, conctoare, pardoseal radiant) precum i de utilizarea unui invertor.Factorul de corecie F este dependent la rndul su de factorul de ncrcare FIdefinit ca raport ntre timpul de funcionare al generatorului pentru BIN ul i, tf, g,I

i timpul total corespunztor acestui BIN,tt

t

igf

t

tFI

,,= (7.5)

Pentru regimul de preparare al acm nu este necesar o corecie deoarece pierderilecaracteristice perioadelor de pornire sunt incluse n valorile COPt, acm.

Distribuia cldurii n cldire i temperaturile aferente

La pompele termice cu puteri cuprinse n gama 7 45 kW frecvent ntlnite ndiverse instalaii rezideniale temperaturile cele mai convenabile din circuitulnclzit de condensator se situeaz ntre 35 C i 55 C. n aceste condiii seutilizeaz sistemele de nclzire de joas temperatur ngropate n pardoseal aacum se vede n Fig.7.11.

204

Fig.7.11. nclzirea de joas temperatur ngropat n pardoseal sepreteaz bine la sistemele de nclzire alimentate cu pomp termic


13/64


Adesea suprafaa colectorilor de sol echivaleaz sau chiar depeete suprafaadesfurat a cldirii nclzite cu ajutorul pardoselii radiante. De aceea sistemul

necesit un teren nconjurtor pe msura cldirii ce trebuie nclzit.Apa este rcit n sezonul cald la valori cuprinse n intervalul 4,513 C, iar nsezonul rece este nclzit la 4652 C. La prepararea apei calde de consum suntde regul necesare temperaturi de acelai ordin de mrime; prin urmare, pentruevitarea pericolului legat de contaminarea cu bacteria legionella, dar i pentruutilizarea sistemelor de nclzire mai vechi, care lucrau cu temperaturi ce depeau55 C, se pot mbunti performanele pompelor termice prin utilizare ciclului cueconomizor sau prin injecie de vapori, Fig.7.12.Pentru obtinerea unor temperaturi mai mari de 55 C mergind pna la 65 C

utiliznd ca agenti termodinamici R404A, respectiv R407C este necesar ocomprimare mai accentuat (un raport de comprimare mai mare) ceea ce conducela ridicarea temperaturii in compresor la valori care afecteaza ungerea acestuia.Pentru a evita acest neajuns este convenabila injectia de vapori reci n compresor.Aceste soluii impun utilizarea compresoarelor cu priz intermediar, caredeocamdat nu sunt larg accesibile pe pia. Chiar dac sistemul prezint ocomplexitate sporit, elemente suplimentare n schem i costuri mai mari, totuibeneficiile obinute cu ajutorul ciclului cu economizor (flexibilitatea de descrcare,capacitate de dezumidificare sporit, i funcionare mai bun) vor promova aceastnou tehnologie n viitor.

Pompele de cldur pot fi echipate cu serpentine de prercire (fie integrate, sauadugate suplimentar la faa locului) destinate preparrii de acm. Sunt disponibilepe pia i pompe termice integrate care asigur i condiionarea aerului pe lngprepararea acm fiind dotate cu un condensator suplimentar de dimensiuni maxime.

205Fig.7.12. Ciclul cu economizor permite o cretere a performanelor cu cca

8% ceea ce ar putea compensa deficienele de performane caracteristiceentru R410A


14/64


Ca refrigereni se folosesc n ultimii ani amestecuri azeotrope de hidrocarburifluorurate HFC: R-134a, R-152a, R-404A, R-407C, R-410A (pentru pompe termice destinate

nclzirii) R-134a, R-410A, R-407C (pentru sisteme centralizate de condiionare a aerului) R-410A, R-407C (pentru sisteme unitare de condiionare a aerului).Hidrofluorocarburile neconinnd clor au un potenial nul de distrugere a stratuluide ozon (ODP) ns se dovedesc periculoase din punctul de vedere al nclzirii

globale (GWP). Ca urmare revin n atenia productorilor de pompe termicehidrocarburile (de exemplu pentanul) i amoniacul, dar i bioxidul de carbon iapa.

Sursele de cldur

Alegerea sursei de cldur pentru o anumit aplicaie depinde de o serie de factoriprecum poziia geografic, condiiile climatice, costul iniial disponibilitatea ialtele. Dintre sursele regenerabile cele mai frecvent utilizate sunt energia solar, i

derivate ale acesteia, precum aerul, apa i solul. Necesitatea preparrii apei caldemenajere a condus la apariia i dezvoltarea preponderent a pompelor termice aer-ap, respectiv ap-ap i sol-ap. Ultimele dou sunt grupate n clasificrile apruten anii din urm sub termenul generic de sisteme geoexchange.

Energia solar. Aceasta poate fi utilizat fie ca surs de cldur primar, sau ncombinaie cu alte surse. Sub form indirect att aerul, ct i apele de suprafa,

206


15/64


dar i cele freatice (de adncime) beneficiaz de energia solar. Principalulavantaj n cazul utilizrii directe a energiei solare const n nivelul de temperatursensibil mai ridicat comparativ cu situaia folosirii indirecte a acesteia, ceea ce sereflect n creterea coeficientului de performan (COP) al pompei termice. ncazul utilizrii pompelor termice n combinaie cu colectorii solari se constat osporire a eficienei, precum i a capacitii ca urmare a coborrii temperaturiiacestora, Fig.7.13.

Cercetarea i dezvoltarea n domeniul pompelor termice avnd energia solar casurs de cldur s-a concentrat pe dou direcii de baz: sisteme directe, respectivindirecte. n cazul sistemului direct vaporizatorul joac i rolul de colector solar, deregul sub forma celui plan. Cercetrile au artat c este posibil s se preiasuficient cldur chiar din mediul ambiant i n absena stratului protector dinsticl. Aceeai suprafa poate servi ulterior drept condensator n interaciune cumediul ambiant n care aerul devine elementul de preluare a cldurii lafuncionarea sa ca sistem de rcire.

Sistemele indirecte utilizeaz apa, sau aerul ca fluid intermediar care circul prin

colectorii solari. n cazul utilizrii aerului trebuie s existe posibilitatea de control acolectorilor astfel nct:Colectorii s poat servi drept prenclzitor pentru aerul exteriorContactul colectorului cu aerul exterior trebuie s poat fi ntrerupt astfel nct

ntreaga energie s fie preluat de la soare Contactul colectorului cu aerul exterior trebuie s poat fi ntrerupt astfel

nct acesta s poat servi att ca surs ct i ca rezervor de cldur

207

Fig.7.13. Utilizarea pompelor termice n combinaie cu panouri solare iposibilitatea inversrii ciclului (nclzire/rcire)


16/64


Aerul. Aerul atmosferic constituie o surs de cldur foarte comod pentrupompele termice i de aceea este larg folosit pentru aplicaiile rezideniale precumi pentru sistemele comerciale de mai mic anvergur. Suprafeele extinse aleschimbtoarelor de cldur transfer energia termic de la aer ctre agentulfrigorific utiliznd convecia forat. n mod obinuit suprafeele schimbtoarelorde cldur exterioare sunt cu 50%, pn la 100% mai mari dect cele aflate ninteriorul spaiului rezidenial. Corespunztor i volumul de aer vehiculat prinschimbtorul de cldur exterior este mai mare dect cel din interior n acelairaport menionat anterior. n perioada de nclzire temperatura refrigerentului dinvaporizator este de regul cu 5 pn la 11 C mai sczut dect cea a aeruluiatmosferic.La alegerea unei pompe termice avnd aerul atmosferic ca surs de cldur trebuieluai n considerare, cu precdere, doi factori:

Limitele ntre care variaz temperatura aerului atmosferic n condiiile locale

date. Posibilitatea formrii de ghea pe schimbtorul de cldur exterior.

Odat cu scderea temperaturii aerului exterior se reduce i capacitatea de nclzirea pompei termice avnd ca surs aerul.Din aceast cauz selecia unei astfel de pompe termice este mai pretenioas ncazul unor valori sczute ale temperaturii exterioare comparativ cu sistemele denclzire bazate pe arderea combustibililor. Atunci cnd temperatura suprafeeischimbtorului de cldur exterior atinge valoarea de 0 C, sau mai sczut, poate

aprea zpad/ghea pe aceasta. ngroarea acestui strat va conduce la scdereaperformanei de transfer termic, impunnd degivrarea sa periodic. Frecvenadegivrrii va depinde de condiiile climatice precum i de modul cum a fostproiectat schimbtorul de cldur, respectiv de numrul orelor de funcionare.Experiena a artat c la temperaturi exterioare sub 8 C i umiditate relativ de60% degivrarea devine necesar doar accidental. ns n condiii de umiditateaccentuat, cnd picturi fine de ap sunt prezente n aer depunerile de ghea potfi de trei ori mai mari dect cele rezultate din teoria psihrometric. n asemeneacondiii degivrarea trebuie fcut la fiecare 20 de minute. Aceasta va conduceinevitabil la reducerea capacitii de nclzire ceea ce va trebui luat n considerare

la dimensionarea pompei termice.Chiar dac degivrarea se face la intervale de 30, 60, sau 90 de minute, n funcie declimat i umiditatera atmosferic vor exista implicaii directe asupra coeficientuluide performan a pompei termice. n zonele climatice caracterizate de temperaturisczute ale aerului ambiant aceste pompe nu mai pot furniza cldur n condiii ct-de-ct eficiente tocmai n sezonul rece, adic tocmai atunci cnd ar trebui sasigure mcar o parte a cldurii necesare confortului. Sistemul va trebui

208


17/64


dimensionat pentru un punct de echilibru ct mai sczut, ceea ce va avearepercusiuni negative asupra capacitii de rcire din timpul verii. Pompele termiceavnd ca surs de cldur aerul ambiant se dovedesc a fi mai puin eficiente ndomeniul temperaturilor ambiante apropiate de punctul de nghe al apei, Fig.7.14.

n multe cldiri instituionale i comerciale aerul proaspt poate fi nclzit cuajutorul cldurii preluate de la cel viciat i pe care l nlocuiete. Este totui nevoiede o surs suplimentar de cldur. n cldirile piscinelor acoperite se constat c

umiditatea ridicat produce condens pe elementele structurale (perei, ferestre itavan) ceea ce induce spectatorilor o stare de disconfort. i n acest caz se poatefolosi o pomp termic care preia cldura din aerul umed i cald transfernd-o attaerului proaspt din exterior, ct i apei din bazin ce trebuie nclzit. Pe aceastcale se poate obine o reducere substanial a consumului de energie. Problemaspecific din acest caz o constituie clorul coroziv i umiditatea ridicat.

209

Fig.7.14. Variaia coeficientului de performan COP cu temperaturileaerului atmosferic, respectiv a acm pentru pompele termice aer-ap


18/64


Pompele termice utilizate pentru nclzirea apei limiteaz temperatura acc la 60 C,de regul. n cazul n care este necesar o temperatur mai mare se adaug unrezervor de stocare n care se amplaseaz un nclzitor electric suplimentar. ncazul n care este necesar o temperatur mai mare se adaug un rezervor destocare n care se amplaseaz un nclzitor electric suplimentar. Dimensionareaacestor sisteme de pompe termice trebuie fcut astfel nct ntreruperile s fie ctmai rare, adic pentru un timp de funcionare ct mai lung.Totodat trebuie luat n considerare utilizarea pompei termice i pentru rcireaspaiilor pe timpul verii, n vederea asigurrii confortului.

Solul. Dezvoltarea pompelor termice avnd solul ca surs de energie termic solul(GCHP) a fost dictat i de variaiile anotimpuale mai reduse ale temperaturiiscoarei terestre comparativ cu cele ale aerului atmosferic, aa cum se poateobserva din Fig.7.15.

Pompele termice care utilizeaz solul att ca surs de cldur ct i ca sistem de

stocare se refer la o gam larg de sisteme care utilizeaz n acest scop att solul,ct i apele freatice, ori apele de suprafa (GWHP). n acest caz transferul decldur realizndu-se prin intermediul unor serpentine ngropate, respectivimersate. Sub acest acronim general sunt incluse sistemele de pompe termicecuplate la sol (GCHP), la apele freatice (GWHP) i la apele de suprafa (SWHP).Fa de aceste denumiri coexist n paralel i altele, precum pompe termicegeotericee (GHP), sisteme bazate pe energia pmntului, sau sisteme avnd solul ca

210

Fig.7.15. Evoluia anual a temperaturii n straturile din sol aflate nvecintatea suprafeei pmntului (pentru o temperatur medie anual a aerului

de 79 0C)


19/64


surs (GS). n Fig.7.16 sunt prezentate schematic sistemele de pompe termice desuprafa i de adncime, precum i cele care utilizeaz apele de suprafa.

Pompa termic geoterice reprezint o alternativ ce trebuie luat n considerare nsituaii precum construcia unei case, a unei coli, sau a unui birou nou; dar eaconstituie o soluie ce trebuie analizat i n condiiile nlocuirii sistemului denclzire, sau de condiionare a aerului la o cldire existent.Compoziia solului care poate varia de la argil umed la sol nisipos are un efectimportant asupra proprietilor termice i implicit asupra performanei globale.

Procesul de transfer de cldur n sol depinde de transferul termic tranzitoriu. Attcapacitatea termic volumic ct i conductivitatea termic sunt influenate deconsistena, dar i de modul de formare al solului. Difuzivitatea termic estefactorul principal i este dificil a fi determinat n absena unor date localereferitoare la sol.

Sistemele de pompe termice cu circuit nchis cuplate la sol

Adesea aceste sisteme se mai numesc i pompe termice cu circuit nchis avnd

solul ca surs de cldur. Cel mai adesea aceste pompe termice sunt de tipul ap-aer, deoarece prin circuitul ngropat n sol circul ap, sau un amestec de ap cuantigel (circuitul agentului secundar). Energia termic preluat de la sol estetransferat prin intermediul unui schimbtor de cldur ctre refrigerentul dincircuitul pompei termice. O variant acestui tip utilizeaz conducte de cupru nlocul tuburilor termoplastice ngropate n sol; prin aceste conducte de cupru circulchiar refigerentul pompei termice, aa-numitele sisteme cu evaporare direct (DX).

211

Fig.7.16.Conectarea pompelor termice geotericee la sol, cu colectoride su rafa res ectiv cu sonde verticale de adncime


20/64


Sistemele cu colectori orizontali, sau de suprafapot fi mprite la rndul lor ntrei subgrupe: cu o singur conduct, cu conducte multiple, i spiralate.Pentru casele unifamiliale din zonele rurale, sau cele avnd spaii generoaserezervate pentru grdin este posibil instalarea colectorilor de sol de micadncime 1,21,8 m; recomandrile firmelor de specialitate indic lungimilenecesare pentru colectorii de sol. Modul de pozare i dimensiunile tipice pentrudiverse variante de amplasare a colectorilor de suprafa sunt prezentate nFig.7.17.

Adncimea de amplasare a colectorilor plani este dependent de condiiileclimatice care determin nivelul orizontului de nghe.

Amplasarea a dou sau chiar patru conducte n acelai an reduce suprafaa deteren necesar. Influena reciproc a conductelor atrage necesitatea spoririilungimii totale a conductelor. Conductele spiralate reduc i ele suprafaa de terennecesar. Lungimea recomandat a anurilor spate reprezint ntre 20 i 30% dincea a unei singure conducte orizontale, ns pentru a asigura performanelenecesare ea poate fi totui de dou ori mai mare.Suprafaa de teren necesar pentru amplasarea colectorilor de sol egaleaz adeseai chiar depete suprafaa desfurat a cldirii ce urmeaz a fi nclzit cuajutorul pompei termice, Fig.7.18. Lungimea schimbtorului de cldur ngropat nsol realizat sub forma unei serpentine depinde de compoziia solului care poate sfie argil umed, sau sol nisipos; aceasta va avea o influen covritoare asupraproprietilor sale termice i implicit asupra performanei globale a sistemului.

212

Fig.7.17. Diverse tipuri de colectori orizontali (de suprafa).

Fig.7.18. Pregtirea fazei de amplasare a colectorilor de suprafa


21/64


Procesul de transfer termic din sol are i un aspect tranzitoriu. Capacitatea termicvolumetric i conductivitatea termic sunt influenate foarte mult de consistena ide modul de formare a solului. Difuzivitatea termic este un factor dominant i estegreu de determinat n absena unor date locale referitoare la sol. Difuzivitateatermic reprezint raportul dintre conductivitatea termic i produsul densitii prin

cldura specific. Coninutul de umiditate al solului influeneaz n mare msurconductivitatea sa termic. Proporia de constitueni minerali precum cuarul saufeldspatul, precum i ponderea i dimensiunea porilor umplui cu aer este i ea demare importan. Cu ct este mai mare coninutul de ap i cu ct crete pondereamineralelor simultan cu scderea porilor cu att este mai mare capacitatea destocare precum i conductivitatea termic a solului. n tabelul 7.2 sunt prezentatevalori ale capacitii de extracie a cldurii pentru cteva tipuri de sol.

Tabelul 7.2.Tipul solului Capacitatea specific de extracie, W/m2

Uscat UmedNisipos 10 la 15 15 la 20

Argilos 20 la 25 25 la 30Sol cu ape freatice 30 la 35

Lungimea schimbtorului de cldur din sol. Lungimea schimbtorului de cldurtrebuie ales astfel nct s poat satisface i condiiile din timpul verii cnd pompade cldur realizeaz condiionarea aerului din cldirea pe care o asist. Aceastdecizie are consecine att asupra costurilor ct i asupra performanelor

sistemului. De regul sarcina termic de climatizare este diferit de cea denclzire, astfel c trebuie fcut un compromis n alegerea acestei lungimi. Dac sealege lungimea corespunztoare pentru rcire (climatizare) Lr i aceasta este maimic dect cea de nclzire L atunci va trebui prevzut un sistem suplimentar denclzire care s compenseze deficitul de energie. Invers, dac lungimea aleas esteinsuficient pentru condiiile de rcire atunci va fi necesar utilizarea unui sistemauxiliar de preluare cldurii n exces din timpul verii. Calculul acestor dou

213


22/64


lungimi se poate face cu relaiile urmtoare, n care indicele i caracterizeazregimul de nclzire, iarrpe cel de rcire

( )

min,min,

,

1

pais

isc

i

i

ipriTT

FRRCOP

COP

QL

+

= (7.1)

( )

max,max,

,

1

spar

rsc

r

r

rprrTT

FRRCOP

COP

QL

++

= (7.2)

unde

Qp este sarcina termic de proiectare,COP este coeficientul de performan,Rc este rezistena termic a conductei colectoruluiRs este rezistena termic a soluluiF este factorul de funcionare parial reprezentnd raportul dintre sarcina

termic medie Q i sarcina termic de vrf a lunii respective maxQ ,maxQQF= ; factorul de funcionare parial poate fi definit i ca raport al

timpului de funcionare Tf prin factorul de ajustare al capacitiidatorat ciclrii Fc

c

f

F

TF= (7.3)

timpul de funcionare fiind raportul dintre sarcina termic (de nclzire,pentru luna de vrf- iulie Qi, respectiv de rcire pentru luna de vrf-

ianuarie Qr) i capacitatea pompei termice PPT

PT

fP

QT = (7.4)

Factorul de ajustare a capacitii pompei termice datorat ciclrii este determinatde timpul de funcionare Tfi de coeficientul de degradare cd Pentru regimul denclzire cd = 0,26 (0,25) iar pentru cel de rcire cd =0,11.

)fdc TcF = 11 (7.5)Factorul de ajustare a capacitii pompei termice este subunitar pentrutemperaturi mai mari dect cea apunctului de echilibru; ncepnd de laaceast valoare a temperaturii factorul de ajustare devine unitar.

Ts, min i Ts, maxsunt temperaturile neperturbate minime, respectiv maxime alesolului,

214


23/64


Tpai, min, i Tpai, max reprezint temperatura de proiectare la intrarea apei npompa termic. Adesea valorile acestor dou temperaturi sunt limitate decaracteristicile constructiv-funcionale ale pompelor termice, astfel crecomandrile IGSHPA, din 1988 precizeaz c CTT ospai 3,8min,min, = i

)3,43;1,11min(max,max,

CTT o

spai

+=

.Alegerea temperaturii cu care intr apa n pompa termic Tpa esteo chestiune dificil n cadrul procesului de proiectare. Dac sealege o valoare apropiat de temperatura solului atunci varezulta o eficien ridicat a sistemului, dar lungimea necesar aserpentinei va fi exagerat de mare i n consecin scump.Alegerea unei valori deprtate de Ts va conduce la o lungime maimic pentru serpentina din sol i deci mai ieftin, dar va reducesemnificativ capacitatea de nclzire i va ncrca puternicsistemul pe perioada de rcire. Alegnd Tpar cu 11 pn la 17 Kmai ridicat dect Ts n regim de rcire respectiv Tpai cu 6 la 11 K

mai redus dect Ts pentru regimul de nclzire reprezint uncompromis bun ntre costurile de investiie respectiv eficienpentru multe regiuni din SUA.De altfel scderea temperaturii apei din sol atrage dup sine nrutirea

performanelor i a eficienei pompei termice: o scdere a temperaturii de la 1 0Cla 6,5 0C conduce la o scdere a performanei pompei termice cu 15%. n modsimetric, n perioada de funcionare n regim de rcire o cretere a temperaturii dela 21 la 32 0C va reduce performana instalaiei cu circa 9%, iar a eficienei cu25%.Determinarea estimativ a lungimii colectorilor de suprafa n funcie decapacitatea pompei termice este artat n Fig.7.19.

215

Fig.7.19. Determinarea grafic a lungimii colectorilor de suprafa funciede puterea pompei termice


24/64


Pentru cldiri cu mai multe nivele i suprafa corespunztoare mare, Fig.7.20, secaut soluii de reducere a terenului furnizor de energie termic prin amplasareacolectorilor de sol sub forma unor colaci elicoidali;

ns trebuie avut n vedere c aceeai cantitate de energie termic este extras depe o suprafaa mai redus, ceea ce poate avea consecine pe termen mediu i lungasupra orizontului de nghe.n Fig.7.21 sunt prezentate dimensiunile i modul de pozare a colacilor elicoidali aicolectorilor de suprafa.

216

Fig.7.21. Amplasarea colectorilor de sol de mic adncime sub form

elicoidal reduce suprafaa de sol necesar (a); n zonele aglomerate i n cazulcldirilor mari devine necesar extinderea n adncime a sondelor colectoare

Fig.7.20. Cldirile instituionale cu mai multe nivele necesit largi

suprafee de teren pentru amplasarea colectorilor orizontali


25/64


O alt variant de amplasare a colectorilor de suprafa sub forma colacilor, dar deaceast dat n plan orizontal este artat n Fig.7.22.

Sistemele cu sonde de adncime. n zonele dens populate, urbane, fr posibilitatede extindere n planul terestru se impune forarea puurilor de adncime (ctevazeci, chiar sute de metri), conform Fig.7.23. Pentru marile cldiri sunt necesaremulte asemenea puuri pentru a putea furniza energia termic de care este nevoie.Prezena apei freatice este benefic att prin contactul termic cu colectorii mai bun,

ct i datorit curgerii acesteia, ceea se reflect n cantitatea de energie termictransportat de aceasta. Se consider c puterea termic extras printr-un pu estede cca 7 10, 5 kW. n fiecare pu se introduce o conduct n form de bucl U.La pompele termice cuplate la pmnt cu ajutorul sondelor de adncime seintroduc de obicei n interiorul forajului dou tuburi de polietilen de naltdensitate(HDPE) care apoi este umplut cu un mediu solid (ciment cu bentonit).

217

Fig.7.22. Reducerea suprafeei de teren necesare amplasrii colectorilor orizontaliprin ncolcirea acestora necesit decopertarea terenului

Fig.7.23. Forarea puurilor permite reducerea sensibil a suprafeei de teren

necesare pentru extracia cldurii din sol. Adncimea de forare depinde deputerea termic a pompei termice, respectiv de sarcina de nclzire


26/64


.

Cele dou tuburi sunt sudate la cald n partea inferioar a forajului la un element n

form de U, Fig.7.24. Diametrul nominal al tuburilor este cuprins ntre 20 mm i38 mm.

Adncimea forajului poate varia ntre 15 m i 180 m funcie decondiiile locale de foraj i de echipamentul existent. Serecomand o distan minim de 6 m ntre puuri dac este vorbade foraje multiple, n reea. Distana poate fi mai mic dacforajele sunt amplasate ntr-un singur rnd i dac sarcina de

218

Fig.7.24. Tipuri de schimbtoare de cldur de sol: a) sonda dubl (U); b)dou sonde duble (U); c) bucl nchis, concentric; d) pu cu coloanautosusinut fr deversare de ap freatic


27/64


nclzire anual este mult superioar celei de rcire, sau dacmigraia vertical a apei atenueaz efectul de acumulare acldurii n cmpul sondelor.Aceste bucle sunt conectate la colectorii i distribuitorii plasai n anurile

orizontale i care fac legtura cu pompa termic amplasat n cldire Fig.7.25.

Puterea termic extras cu ajutorul sondelor de adancime depinde decaracteristicile solului i implicit de proprietile termofizice ale acestuia:

- sedimente uscate: 30W/ml- ardezie bazalt 55W/ml- piatra dens cu conductibilitate termica ridicat: 80W/ml- sol cu circulaie intens a apei freatice: 100W/ml

Conform normelor n vigoare (ISO-13256) temperatura standard a fluidului dinbuclele de colectare este pentru nclzire de 0 0C iar pentru rcire de 25 0C.Avantajele sistemelor cu sonde verticale sunt:

Necesit o suprafa de teren substanial mai redus comparativ cu colectoriide suprafa

Solul cu care se afl n contact sufer modificri reduse, att ca temperatur,ct i ca proprieti termice

Necesit cea mai mic lungime de eav i implicit i energia de pompareeste redus

Poate conduce la cea mai bun performan a sistemului de pompe termicecuplate la sol.

219

Fig.7.25. Conectarea sondelor de adncime la sistemul dedistribuie al pompei termice


28/64


Dezavantajul principal const n costurile ridicate ale lucrrilor datorateutilajelor costisitoare necesare la forarea puurilor (Fig.7.26) precum idisponibilitii nc reduse a firmelor capabile s execute asemenea lucrri.

Adncimea necesar a forajului. Pentru determinarea lungimii necesare a sondei,respectiv a forajului se pornete de la expresia puterii termice transferate de ctre

acesta ( )R

TTLq as

= (7.6)

undeq - puterea termic transferat, WL - adncimea necesar a forajului, mTs- temperatura solului, CTa - temperatura lichidului,CR rezistena termic efectiv a solului, mK/WAceast expresie poate servi la calculul lungimii necesare a forajului, L lund n

considerare puterea termic variabil transferat de schimbtorul de cldur din solprin intermediul unor pulsaii ale fluxului termic. Astfel, rezistena termic asolului este calculat ca funcie de timp, corespunztor intervalului pentru careapare un anumit puls termic. Un termen suplimentar este introdus pentru a inecont de rezistena termic aprecum i a interfeelor dintre fluid i conductrespectiv ntre conduct i i sol. n acest fel se obin lungimile conductei sondeiverticale n cazul funcionrii ca sistem de rcire

220

Fig.7.26. Utilajele specifice pentru forarea puurilor


29/64


( )

paeai

s

scgdgmmprrsaa

r

TTT

T

FRRFRWqRqL

+

+++=

2

41.3

(7.7)

respectiv ca sistem de nclzire

( ) ( )p

aeais

scszslmciisaai

TTT

T

FRRFRWqRqL

+

+++=

2

41.3

(7.8)

unde

Fsc - factorul de pierderi termice datorit efectului de scurtcircuitare

Lr - lungimea necesar a forajului pentru condiiile de rcire, mLi - lungimea necesar a forajului pentru condiiile de nclzire, m

Fm - factorul de funcionare parial pentru luna de proiectareq a - puterea termic net transferat anual ctre sol, Wqr - sarcina total de rcire conform proiectului cldirii, Wq i - sarcina total de incalzire conform proiectului cldirii, WR sa - rezistena termic efectiv a solului pentru pulsul anual, m K/WR sz - rezistena termic efectiv a solului pentru pulsul zilnic, m K/WR sl - rezistena termic efectiv a solului pentru pulsul lunar, m K/WR p - rezistena termic a conductei, m K/WTs - temperatura neperturbat a solului, CTp - reducerea de temperatur datorat influenei forajelor nvecinate, CTai - temperatura lichidului la intrerea n pompa termic, CTae - temperatura lichidului la ieirea din pompa termic, CWr - puterea de acionare pentru sarcina de rcire proiectat, WWi - puterea de acionare pentru sarcina de incalzire proiectat, W

Observaie: mrimile Putere termic transferat precum i Reducerea detemperatur sunt considerate pozitive pentru perioadele de nclzire i negativepentru cele de rcire.Temperatura de intrare a apei n pompa termic este evaluat prin interpolare

linear pentru fiecare bin n parte( )ipibin

iprp

paipai

ai TTTT

TTTT ,,

,,

min,max,

min

+= (7.9)

unde Tmin reprezint ordonata n origine din Fig.7.27, iar Tbin,i temperaturacaracteristic a binului i.n expresiile celor dou lungimi Lr , respectiv Li au fost luate n considerare treitipuri de pulsaii termice: cele care reflect instabilitile termice pe termen lung,

221


30/64


qa, fluxul termic lunar mediu pentru luna de proiectare, precum i fluxul maximpentru perioade scurte de timp n cadrul zilei de proiectare. Acest perioad poatefi de 1 or, dar este recomandat un grupaj de 4 ore.

Dup calculul celor dou lungimi ale forajului Lr , respectiv Li alegnd valoareacea mai mare dintre acestea va rezulta una din situaiile:

Dac lungimea pentru rcire Lr este cea mai mare atunci avantajelesupradimensionrii sondei vor fi resimite n perioada de nclzire. n

condiiile instalrii unei sonde mai scurte corespunztoare pentruLi

atunciva trebui prevzut i un turn de rcire pentru a compensa subdimensionarea. Dac din calcule a rezultat lungimea sondei de nclzire ca fiind mai mare

proiectantul va trebuie s foloseasc acest lungime pentru instalaie, iar nperioada de rcire supradimensionarea sondei se va reflecta n beneficiilemai mari ceea ce va compensa cheltuielile de investiie mai ridicate.

Rezistena termic a solului se calculeaz cu ajutorul proprietilor solului, precumi cu dimensiunile conductei, al perioadelor de funcionare i al pulsaiilor fluxuluitermic reprezentativ. n Tabelul.7.3. sunt prezentate proprietile termice

caracteristice pentru diverse tipuri de sol. De regul dup introducerea conductelorn form de Use practic umplerea puului forat cu bentonit avnd oconductivitate relativ redus. n ultimii ani au fost utilizate i materiale cuproprieti termice mbuntite. Uneori se practic i umplerea cu dou materialeavnd permeabiliti diferite: n partea de sus a forajului se introduce un materialcu permeabilitate sczut, iar n rest se utilizeaz un material mai avantajos dinpunct de vedere termic. Dintre parametrii care intervin n expresiile lungimilor

222

Fig.7.27. Elemenetele definitorii pentru calculul temperaturii de intrare aapei n pompa termic conform expresiei (7.9)


31/64


forajului cel mai dificil a fi evaluat se dovedete a fi rezistena termic echivalenta solului..

Tabelul 7.3.Conductivi-tatea

min max

Clduraspecific

Densitatea Difuzivitateax106

min maxW/m K J/kg K kg/m3 m2/s

Granit 2.1 4.5 837 2643 0.914 0.968Calcar 1.4 5.2 879 2483 0.968 2.37Marmor 2.1 5.5 795 2563 0.968 2.69Gresie Uscat 1.4 5.2 712 2243 0.860 3.23

Umed 2.1 5.2 1.29 3.23Argil Umed 1.4 1.7 1256 to 1674 0.538 0.645

Ud lasaturaie

1.7 2.4 1674 to 1884 1442 to1922

0.645 0.860

Nisip Umed 1256 to 1674 0.430 0.538Ud lasaturaie

2.1 2.6 1674 to 1884 1674 to1884

0.753 0.968

Perioada de funcionare, diametrul exterior al conductei i difuzivitatea termic asolului trebuie corelate sub forma criteriului adimensional Fourier:

2

4

d

aFo

g = (7.10)

undeag difuzivitatea termic a solului - perioada de funcionared diametrul exterior al conducteiCele trei pulsaii termice (metoda Carslaw i Jaeger,1947) corespund intervalelorde 10 ani (3650 de zile) pentru qa, respectiv de o lun (30 de zile) pentru qmi de 6ore (0,25 de zile) pentru qd. Se definesc cele trei perioade

zile36501 = (7.11)

zile36803036502 =+= (7.12)zile25.368025.0303650 =++=f

(7.13)

care intervin n calculul criteriilor adimensionale Fourier:

2

4

d

aFo

f

f

= ,

2

1

1

4

d

aFo

f

= ,2

2

2

4

d

aFo

f

= (7.14)

223


32/64


Corespunztor celor trei valori calculate ale criteriului Fourier se determinfactorul G (Gf, G1 , G2) din Fig.7.28

Pe baza acestor trei factori se calculeaz rezistenele termice echivalentecorespunztoare celor trei pulsaii termice

g

f

sa

GGR

1=

g

sl

GGR

21 =

g

sz

GR

2= (7.15)

Conductivitile termice se obin pe baza valorilor indicate nTabelul 7.3.Performanele sunt ntr-o oarecare msur diminuate datoritpierderilor de cldur produse prin scurt-circuitare ntre puul din

amonte i cel din aval. Factorul de pierderi prin scurt-circuitare Fsccare apare n expresia lungimii sondei Lc, Lh se poate determinadin Fig.7.29Adncimea de forare este cuprins cel mai frecvent n intervalul 30 m120 m.Adncimile de forare ale puurilor sunt recomandate n prospectele firmelor despecialitate, fiind dependente de puterea pompei termice i ncadrndu-se nlimitele artate n Fig.7.30

224

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Criteriul Fourier

FactorulG

Fig.7.28 Dependena factorului G de criteriului Fourier

1

1,01

1,02

1,03

1,04

1,05

1,06

1,07

1 2 3

Foraje per circuit

Fsc

7.6

l/min11.4

Fig.7.29 Factorul de scurt-circuitare n funcie de numrul de foraje ale unuicircuit


33/64


Sistemele de pompe termice cu circuit deschis cuplate la sol

Sistemele deschise cu pu de extracie, respectiv de reinjecie. De un interesdeosebit se bucur n ultima vreme sistemele cu circuit deschis, grupate nclasificrile aprute n anii din urm sub termenul generic sisteme geoexchange, ncare apa freatic este extras printr-un pu forat n sol n vederera utilizrii sale lanclzire, respectiv la rcire. Apa freatic provine din spaiile goale existente nstraturile geologice neconsolidate (nisip i pietri) precum i din cele consolidate(gresie i roc vulcanic). Aceste puuri sunt armate pn la adncimea la care esteprezent apa freatic necesar a fi pompat ctre suprafa. n cazul puului dereinjecie adncimea sa este direct legat de posibilitatea prelurii debitului de apn vederea difuziei sale n formaiunea geologic. Acviferele care pot furnizadebite importante de ap sunt de regul constituite din materiale precum pietriul inu din argil, nisip sau, roc impermeabil.Unitatea geologic capabil s furnizeze, printr-un pu, suficient ap freaticpentru scopuri practice, denumit acvifer este alimentat continu cu apa dinprecipitaii, sau din cea de suprafa. Fisurile existente n roc formeaz un sistemde comunicare prin care circul apa freatic permind rencrcarea acviferului pemsur ce puul este exploatat n vederea produciei de ap.

Apa este extras din puul de producie i ulterior este reinjectat n puul dedifuzie prin intermediul unor ecrane de filtrare realizate dintr-o eav perforat imatisate cu srm de seciune V, la intervale calculate aa cum se prezint nFig.7.31

225

Fig.7.31 Ecrane de filtrarepentru puurile de de extracie, respectiv de reinjecie

Fig.730Corelaia dintre adncimea puului forat i puterea pompeitermice


34/64


n acest fel se urmrete ca puul s nu fie colmatat de ctre sedimente, pstrndu-itotodat debitul necesar aplicaiei.Apa poate constitui o surs convenabil de cldur. Apa din reeaua oreneasc

este arareori utilizat datorit costului, dar i a restriciilor impuse demunicipalitate. Apele freatice din puuri constituie o surs de cldur deosebit deatrgtoare datorit temperaturii sale relativ ridicate precum i datorit menineriivalorii sale n limite restrnse (aproape constant).Temperatura apei depinde deadncimea sursei dar i de clim. Este necesar s se analizeze compoziia apei i sse determine posibilitatea depunerii de piatr (carbonat de calciu), precum i acoroziunii. n unele situaii este necesar ca apa extras din pu s nu ptrund nrestul echipamentului (pompa termic) fiind separat de acesta prin intermediulprin intermediul unui schimbtor de cldur suplimentar. n alte cazuri poate fi

necesar filtrarea i sedimentarea apelor.n mod obinuit temperatura apelor freatice rmne relativ constant la valori cedepesc cu 1 pn la 2 C temperatura medie anual a aeruluipentru locaiarespectiv. n condiiile Europei temperatura solului i a apei din sol (pnzafreatic) este aproape constant pe tot parcursul anului fiind n limitele 5...13 0C.Prin urmare apa din puuri poate fi extras cu ajutorul unei pompe i utilizatpentru rcire dup care este reintrodus n sol printr-un pu absorbant.Valorificarea superioar a energiei apei din sol se face ns cu ajutorul unei pompetermice.Vara pompa termic lucreaz ca instalaie frigorific cobornd temperaturaapei extrase din subsol de la 13 la 67 C; nvers, iarna pompa termic ridic

temperatura apei subterane de la 7(10) C pn la 33 (40) C. n ambele cicluri(rcire/nclzire) schimbul termic din spaiul rezidenial se realizeaz prinpardoseal.Oscilaiile de temperatur de la suprafaa pmntului influeneaz temperaturaapelor freatice de mic adncime pn la maximum 10 m. Adncimea maximpn la care se resimt variaiile ciclice anuale este de 20 m. Sub acest adncime

226


35/64


temperatura apelor freatice crete progresiv, datorit gradientului geoterice cu cte1 C la fiecare 35 m.La alegerea apei freatice ca surs de cldur pentru pompele termice trebuie avut nvedere i costul forajului, al reelei de conducte precum i modalitatea dedispensare a apei folosite de ctre acestea. Pentru casele uni/bifamiliale adncimeamaxim recomandat a puurilor este de 15 m, astfel nct costurile legate deechipamentul de pompare a apei s nu fie exagerat de mare.

Diametrul armturii puului depinde de diametrul pompei(ansamblului) care se introduce n acesta n vederea imersrii suborizontul freatic i care trebuie s permit furnizarea debituluinecesar. Orizontul static al pnzei freatice reprezint nivelul lacare se stabilizeaz apa freatic n condiii statice (cnd nu areloc pomparea apei). Nivelul de pompare al apei rezult ncondiiile pomprii acesteia, Fig.7.32

n mod obinuit acest nivel variaz odat cu condiiile depompare: la creterea debitului de pompare scade nivelul depompare.

Diferena dintre nivelul static i cel de pompare se numete

drawdawn, Fig.7.33 Capacitatea specific a unui pu este adeseaexprimat n l/m raportat la 1 m de drawdawn. Spre exemplu unpu cu un nivel static de 15 m care produce 600 l/min la un nivelde pompare de 30 m va avea un drawdawn de 30-15=15 m i ocapacitate specific de 600/15=40 l/min i metru. n cazul apelorfreatice trebuie avut n vedere i posibilitatea depunerii decarbonai pe sita filtrului. Unele referiri bibliografice menioneaz

227

Fig.7.32 Sistem geotermic dechis


36/64


c viteza trebuie limitat la valori reduse de 0,03 m/s pentru aevita depunerile n zona de intrare, dar n literatura despecialitate nu exist un punct de vedere comun asuprea acesteivalori.

Preluarea energiei termice din sol sub forma puurilor cu circuit deschis poate fimetoda cea mai ieftin i cu eficien maxim. Este necesar un studiu hidrologicprealabil pentru a determina dac puul va putea furniza debitul de ap necesar, de3,5 l/(min*kW), sau 194 l/kWh (condiionare a aerului) pe perioada sa de via.

Trebuie gsit i o metod durabil de returnare a apei n sol. Deversarea apei laieirea din pompa termic la sistemul de canalizare nu este o modalitate acceptat.Trebuie amplasate i puuri de monitorizare a nivelului pnzei freatice n locaiistabilite de ctre hidrogeolog. Distana ideal ntre dou puuri (de extracie i dereinjecie) este de regul cuprins ntre 30 i 150 m putnd fi corelat cu puterea cetrebuie extras cu relaia empiric

[ ] [ ]mWPuterea24,0separaredeDistanta = (7.16)

Pentru evitarea surprii puului n timpul forrii se pot injecta lichide cu densitate

mare precum cele polimerice. Acestea sunt recuperate de la suprafaa solului dupce deverseaz.Proiectele destinate aplicaiilor rezideniale sunt concepute s extrag 35 kW/pucu coloan autosusinut (PCA), n timp ce la aplicaiile comerciale ating valori de246 kW/pu. De regul, producia de ap a unui astfel de acvifer este mai mic de40 l/min. Producii mai mari se pot obine n cazul unor puuri ce au fost forate nzona unei fracturi mai mari, sau n locaii n care acviferul are n subsolul su

228

Fig.7.33 Elemente caracteristice pentru un foraj de tip geoexchange


37/64


materiale compozite neconsolidate, precum nisip i/sau pietri. Pentru aplicaiirezideniale sunt necesare debite de 1115 l/min, iar pentru cele comercialevalorile pot ajunge la 1939 l/min. Productivitatea unui astfel de pu depinde demai muli factori, precum transmisivitatea acviferului, grosimea sa i proiectulpuului.Un proiect bine ntocmit va furniza din acvifer un debit de ap suficient, evitndns perforaii prea mari n tuburile de consolidare a puului, precum i o sit cuochiuri exagerate care va favoriza ptrunderea n pu de materiale care vor distrugepompa de ap, sau chiar sistemul geoterice. Construcia sistemelor geotericeeimplic n mod necesar proiectarea de ctre un inginer hidrogeolog pe bazainformaiilor geologice specifice inclusiv a testelor zonei respective. O abordareintegrat a ntregului sistem (Fig.7.34) bazat pe analiza sa multidisciplinar vaaduce nemijlocit i economii de energie.

Sistemele geotericee cu pompe termice sunt cele mai eficiente energetic,nepoluante pentru mediul nconjurtor i eficiente din punct de vedere al costurilor,conform statisticilor efectuate de organizaii de specialitate precum Agenia deProtecie a Mediului (EPA) din SUA. Sistemele geotericee de pompe termice de tipcircuit deschis ofer eficiene energetice comparabile cu cele de tip bucl nchisns la costuri substanial mai reduse. Acest tip de stocare/exploatare a energieitermice n acvifere este n continu extindere, mai ales c pe aceast cale nu se maidegaj bioxid de carbon n atmosfer.O caracteristic a sistemelor geotermice de pompe termice este investiia iniialrelativ mare comparativ cu alte sisteme convenionale destinate nclzirii i rcirii.

229

Fig.7.34 Amplasarea puului de extracie, respectiv de reinjecie nraport cu pompa termic


38/64


La preul pompei termice se adaug cel de forare care variaz n funcie decondiiile geografice i de cele subterane fiind cuprins ntre 40 i 45 Euro (n unelecazuri chiar 100 Euro), respectiv 120160 RON pentru fiecare metru forat,Fig.7.35

Debitul de ap freatic i temperaturile aferente. Sistemele deschise utilizeaz unschimbtor de cldur intermediar care separ pompa termic de circuitul de solpentru protecia acesteia: apa freatic extras din pu poate fi coroziv sau poateconine suspensii care se depun pe schimbtorul de cldur.n acest fel pompa termic este alimentat cu energie termic din sol prinintermediul unui fluid intermediar care o va proteja neafectndu-i funcionarea n

timp, Fig.7.36

230

Fig.7.35 Forarea puurilor deschise se face cu utilajele tradiionale (a). La un

pu avnd diametrul 124 prjina de foraj va avea un diametru 114, iardiametrul miezului va fi 51 (b); muchiile tietoare sunt realizate dindiamant sau din carburi metalice.

Fig.7.36. Elementele de calcul pentru sistemele cu circuit deschis ischimbtor de cldur intermediar


39/64


Debitul de ap freatic afaf Vm = este esenial pentru asigurarea fluxului decldur necesar pompei termice; determinarea acestuia se poate face pentru celedou regimuri de funcionare (nclzire, iV respectiv rcire rV ) cu relaiile

( ) i

i

aeaip

ip

iCOP

COP

TTc

PV

1,

=

(7.17)

( ) rr

aiaep

rp

rCOP

COP

TTc

PV

1, +

=

(7.18)

undePp,i, Pp,r reprezint capacitatea de proiectare a pompei termice n regim de

nclzire, respectiv de rcire,COP este coeficientul de performan al pompei termice, este densitatea apei freatice,cp este cldura specific la presiune constant a apei freatice,Tai temperatura apei freatice la intrarea n schimbtorul de cldur intermediar,Tae temperatura apei freatice la ieirea din schimbtorul de cldurintermediar

ntr-o prim aproximare temperatura apei freatice la intrarea n schimbtorul decldur intermediarTai poate fi considerat ca fiind egal cu temperatura medie

231


40/64


anual a solului sT , care de regul este cu 1 la 2 C peste temperatura medieanual a aerului n locaia respectiv.Evaluarea temperaturii apei care prsete schimbtorul de cldur intermediarTaese poate face considernd-o cu circa 2,8 C mai mare dect temperatura de returdin cldire Trc,

CTTo

rcae 8,2+= (7.19)

Experiena acumulat a condus la anumite valori recomandate pentru temperaturadin conducta tur a cldirii Ttc , considerat practic egal cu cea a apei la intrare npompa termic Tpai i anume:

pentru regimul de rcire CTT opaitc 9,23=

pentru regimul de nclzire

= CT

C

TT os

o

p a it c8,2

2,7

m i n

n aceste condiii temperatura apei la ieirea din schimbtorul de cldurintermediarTae n regim de nclzire poate fi exprimat ca

CCOP

COP

Vc

PTT o

i

i

cpcc

ip

tcae 8,21,+

+=

(7.20)

Asemntor, pentru regimul de rcire se poate scrie

CCOP

COP

Vc

PTT

o

r

r

cpcc

rp

tcae 8,21,

+

+=

(7.21)

n expresiile (7.19) i (7.20) c i cpc reprezint densitatea, respectiv clduraspecific a lichidului din circuitul care leag pompa termic de schimbtorul decldur intermediar; valoarea recomandat de ctre productorii de pompe termicecuplate la apele freatice pentru debitul volumic specific al acestui lichid este

kWlkWhlVc == min23,3194 (referitor la capacitatea instalat de rcire).Dac se ia n considerare i capacitatea schimbtorului de cldur intermediarQscAtunci se poate exprima temperatura apei din conducta tur Ttc n funcie detemperatura apei freatice la intrarea n schimbtorul intermediar, pentru regimul denclzire

232


41/64


CCOP

COP

Vc

P

Vc

QTT o

i

i

cpcc

ip

sp

sci

aitc 8,21,,

=

(7.22)

respectiv pentru regimul de rcire

CCOP

COP

Vc

P

Vc

QTT o

r

r

cpcc

rp

sp

scr

aitc 8,21,,+

+= (7.23)

Apa freatic ridicat de la nivelul de pompare din puul de extracie i pn lasuprafaa solului sufer o nclzire suplimentar datorat energiei transferate dectre pomp, ceea ce se reflect ntr-o cretere de temperatur generat de pompade circulaie. Aceast cretere de temperatur Tpompare poate fi exprimat cuajutorul lucrului mecanic efectuat de pomp pentru a ridica apa pe o diferen denivel h, plus pierderile aferente (sub forma unei constante avnd valoarea de15,24 m)

( )

pompap

pomparec

hT

+=

24,1581,9(7.24)

unde pompa reprezint randamentul pompei.n plus mai are loc un transfer de energie termic i de la pompa de circulaie aflatn circuitul coninnd schimbtorul intermediar i pompa termic, Tpompare ; deregul pentru fiecare kW capacitate de rcire sunt necesari 17 W pentru pompa decirculaie. Temperatura de intrare a apei n pompa termic Tpai va fi, prin urmare

pomparetcpaiTTT +=

(7.25)

adic, pentru regimul de nclzire

( )C

c

h

COP

COP

Vc

P

Vc

QTT

o

pompapi

i

cpcc

ip

sp

sci

aipai 8,224,1581,91,,

++

=

(7.26)

respectiv pentru regimul de rcire

( )Cc

h

COP

COP

Vc

P

Vc

Q

TTo

pompapr

r

cpcc

rp

sp

scr

aipar 8,2

24,1581,91,,

+

+

+

+

= (7.27)

Temperatura de intrarea a apei n pompa termic Tpai influeneaz directcoeficientul de performan COPaa cum s-a artat n Fig.7.8. De regul, testareapompelor termice pe stand se efectueaz n condiii standard, incluznd i valorifixe pentru temperatura de intrare a apei Tpai (0 C pentru regimul de nclzire,

233


42/64


respectiv 25 C pentru cel de rcire); prin urmare n urma testrii sunt furnizatevalorile de referin ale coeficientului de performan COPref,. n condiii reale,corespunztor valorilor temperaturii de intrare a apei Tpai, respectiv Tpar coeficientulde performan COPrealva fi afectat de aceste modifcri i anume, pentru nclzire

( )1105597,110593,1 224, ++=

paipairefirealTTCOPCOP (7.28)

respectiv pentru rcire

( )531,1102961,210874,6 225,, += parparrrefrreal TTCOPCOP (7.29)

Corespunztor acestor modificri ale coeficientului de performan este afectat icapacitatea de nclzire Qi / Qr rcire a pompei termice; n consecin capacitateade nclzire a condensatorului pompei termice Qi poate fi corelat cu clduraextras de schimbtorul de cldur din sol Qsc, i

1,

,

,

=

ireal

ireal

isciCOP

COPQQ (7.30)

n cazul rcirii capacitatea de rcire a vaporizatorului Qr poate fi corelat cucldura evacut de ctre condensator prin intermediul schimbtorului de cldurdin sol Qsc,r

1,

,,

+=

rreal

rrealrscrCOPCOPQQ (7.31)

Capacitatea pompei termice depinde esenial de temperatura de proiectare cu careintr apa n aceasta; dac dimensionarea pompei termice se face pe baza sarciniide rcire proiectate Qp,r atunci capacitatea sa de rcire Q,r va fi exprimat cuajutorul temperaturii de proiectare cu care intr apa n aceasta Tpar , precum i alvalorii maxime pe care o poate atinge Tpar,max

4119,110562,210248,74119,110562,210248,7

max,32

max,5

325

,+

+=

parpar

parparrpr

TT

TTQQ (7.32)

Tpar,maxreprezint valoarea maxim a temperaturii cu care poate intra apa n pompatermic; conform recomandrilor ASHRAE 1995

234


43/64


+

=C

CTT

o

o

s

p a r

3,4 3

1,1 1m i n

m a x,

m a x

n multe cazuri valoarea maxim recomandat pentru temperatura de proiectareeste de 43,3 oC. Exist i pompe termice pentru care aceste valori sunt diferite, darsunt cazuri rare.

Este posibil ca n urma dimensionrii pe baza sarcinii de rcire pompa termic snu satisfac integral necesarul de nclzire. Completarea pn la atingerea acestuinecesar de nclzire se va face cu ajutorul unei surse auxiliare de cldur, conformalegerii sistemului HVAC.

A doua variant presupune alegerea sarcinii proiectate de nclzire Qp,i dreptcriteriu de dimensionare a pompei termice; n acest caz capacitatea de nclzire apompei termice Qi, va fi valoarea cea mai mare dintre cele dou calculate cuexpresiile

+ ++

++

++

=

4 1 1,11 05 6 2,21 02 4 8,76 6 7 9,01 07 9 9,21 00 6 3 6,1

6 6 7,01 07 9 9,21 00 6 3 6,1

6 6 7 9,01 07 9 9,21 00 6 3 6,1

m a x

,

32

m a x,

5

224

,

m i n,

22

m i n,

4

224

,

a x np a rp a r

p a ip a irp

p a ip a i

p a ip a i

ip

i

TTTTQ

TT

TTQ

Q (7.33)

unde Tpai,min este valoarea recomandat pentru temperatura minim a apei care intrn pompa termic; eaeste corelat cu temperatura minim din sol Ts,mim (conformASHRAE 1995)

CTT spai0

min,min,3,8=

Pentru un mare numr de pompe termice valoarea recomandat a temperaturii deproiectare minime, la intrare, este de -6,7 oC, fiind limitat din considerentefuncional-constructive ale pompelor termice.

Datorit economiei de energie aceste sisteme se amortizeaz n doi pn la zeceani, dup care cheltuielile de ntreinere i cele legate de energie devin mult maireduse comparativ cu cele aferente sistemelor convenionale de nclzire i

235


44/64


condiionare a aerului evitndu-se totodat degajarea unor cantiti importante degaze cu efect de ser.Puurile deschise pot necesita operaii de ntreinere i servisare n situaii precum:

micorarea debitului datorit depunerii de cruste, sau a biocolmatrii

modficarea nivelului pnzei freatice datorit fenomenelor naturale sau acelor datorate interveniei omului astuprii formaiunii n preajma sitei de filtrare datorit unor particule fine pomparea nisipului ca urmare a modificrilor survenite la sita de filtrare degradarea structural a sitei de filtrare a puului, sau a armturii degradarea sau distrugerea pompei

n condiiile unei ntreineri corespunztoare constnd din nlocuirea sitei defiltrare i a pompei exploatarea puurilor poate depi perioada de 50 de ani.

Sistemele cu o singur coloan autosusinut (SCA)

n cazul acestor sisteme se foreaz un singur pu care joac att rolul de extraciect i pe cel de reinjecie. Din acest motiv puurile de tip SCA (Sisteme cu coloanautosusinut) se dovedesc mai economice comparativ cu puurile duble deproducie respectiv reinjecie.Adncimea de forare depinde de atingerea unui pat de roc care s permitautosusinerea puului; armarea puului se face pn la nivelul patului de roc plus

nc 23 m n interiorul acestuia. n cazul n care patul de roc nu este fracturat seadmite ca armarea s se continue n interiorul acestuia doarpe o adncime de 11m. Restul de pu se autosusine datorit patului de roc fr a mai fi necesararmarea sa. Pe conducta central se amplaseaz pompa se extracie a apei, iar prinspaiul inelar din jurul acesteia se returneaz apa de la pompa termic. Parteainferioar a conductei centrale este perforat pentru a permite apei s ptrund ninteriorul su n vederea pomprii sale ctre suprafa: aceasta joac rolul dedifuzor. De regul pompa de ap este amplasat la o anumit adncime sub nivelulpnzei freatice.Puurile forate cu un diametru de 150 mm sau mai mare pot fi autosusinute, avndo adncime de 500 m sau chiar mai mult. Pentru aplicaii rezideniale este suficientun singur pu cu adncime de cca 215 m comparativ cu aplicaiile comerciale ncare sunt necesare dou puuri cu adncime de 450 m. Partea superioar a puuluicare nu ptrunde n roc este armat cu tuburi perforate din oel, pentru a permiteptrunderea apei n pu, Fig.7.37.

236


45/64


Sistemele cu coloan autosusinut nu depind de existena unui anumit debit deap, chiar dac prezena unor fisuri/fracturi n patul de roc mbunteteperformanele acestora prin scurgerile implicite de ap; n acest caz se poate reduce

adncimea necesar a puului.De fapt sistemele cu coloan autosusinut reprezint o combinaie ntre sistemeledeschise i cele cuplate la sol prezentate anterior. SCA prezint unele avantaje nfaza de proiectare deoarece performanele pot fi anticipate fr a fi necesar s serealizeze un studiu hidrogeologic aprofundat. Economia rezultat din scurtarealungimii de forare precum a timpului aferent sunt de prim interes.Acest tip deschimbtor de cldur (SCA) este convenabil mai ales n zonele n care patul deroc se afl n apropierea suprafeei solului mai ales c nu necesit forarea unui pude testare. Se pot realiza capaciti de rcire de 120 pn la 140 kW corespunztorunor adncimi de forare de 500 m. Distana ideal ntre dou asemenea puuri SCA

este de 16... 25 m; la distane mai mici se va constata interferena puurilor iscderea performanelor acestora.

Sistemele cuplate la apele de suprafa

237

Fig.7.37. Sistemul cu un singur pu autosusinut


46/64


Amplasarea schimbtoarelor de cldur se poate face i pe fundul iazurilor,lacurilor sau cursurilor de ap. n asemenea cazuri trebuie limitat cderea detemperatur produs de vaporizator pe timpul iernii pentru a mpiedica nghearea.Cea mai ieftin soluie ce se poate adopta pentru amplasarea circuitului deconducte colectoare este imersarea acestuia n apa acumulat sub forma unui iaz,sau unui lac mai ales dac este situat n apropierea cldirii aa cum se arat nFig.7.38.

n timpul verii instalaia va lucra pentru climatizare deversnd n lac circa 1%din aportul solar maxim, iar n timpul iernii va prelua din apa acestuia aproximativ6,6 W/m2. Ca urmare a faptului c densitatea maxim a apei corespundetemperaturii de 4 C la fundul lacurilor apa nu nghea niciodat fiind ntotdeauna

cu 2,8 la 5,6 C mai cald dect cea de la suprafa. Aceasta nltur necesitateautilizrii propilen glicolului din conductele colectoare.Conductele colectoare sunt realizate cel mai frecvent din polietilen, polibutilensau polietilen de densitate ridicat PE 3408. Conductele din cupru folosite cusucces nu au ns durabilitatea celor din PE 3408 sau polibutilen (datoritconductivitii termice mult superioare sunt suficiente lungimi de trei-patru ori maiscurte comparativ cu cele din plastic).Apele reziduale de la spltorii, fabrici, sau de la condensatoarele rcite cu ap aleinstalaiilor frigorifice sau de condiionare a aerului se dovedesc atrgtoare dinpunctul de vedere al temperaturii, respectiv al coeficientului de performan, ns

tratarea ei naintea utilizrii este preferabil chiar dac n cazul unei proiectriadecvate se poate renuna la aceasta.

Pompe termice avnd gheaa ca surs de cldur

238

Fig.7.38. Amplasarea n lacuri/iazuri a colectorilor termici


47/64


Sistemele de producere a gheii pot fi configurate n vederea furnizrii de cldur,sau pentru furnizarea de cldur i frig pentru o cldire, sau pentru unproces.Transformarea apei n ghea are loc la valori relativ ridicate aletemperaturii vaporizatorului (respectiv a coeficientului de performan) comparativcu cele ntlnite la pompele termice avnd aerul ca surs de cldur i funcionndla temperaturi ambiante sczute. Aceste sisteme pot furniza cldura necesar printopirea gheii rezultate i depuse prin utilizarea unei surse de cldur de nivelsczut, precum cea solar, Fig.7.39. n mod suplimentar gheaa poate fi folositpentru rcire prin stocare zilnic, sptmnal sau anotimpual. Acest concept afost considerat la nceput mai ales pentru nclzirea i rcirea rezidenial, darasemenea instalaii s-au dovedit fezabile i pentru structuri mai mari precumcldirile destinate birourilor. Economiile de energie comparativ cu pompeletermice convenionale rezult pe seama coeficientului de performan. Prinutilizarea pe timpul nopii precum i la sfritul sptmnii, n afara orelor de vrf

se obin reduceri ale costurilor energetice, iar ghea produs poate fi folosit pentrunevoile de rcire ale cldirii.

n acest fel poate fi dezvoltat un sistem care consum mai puin energie i la unpre specific mai sczut.Pompele termice avnd gheaa ca surs de cldur se bazeaz pe dou principii.Primul presupune formarea de ghea, cu o serpentin cufundat ntr-un rezervormare i avnd rolul de vaporizator al pompei termice. Cel de-al doilea utilizeaz untipde vaporizator care produce ghea fragmentar, adic un amestec de ghea cuap i care este stocat ntr-un rezervor. Pot fi dezvoltate multe variante,

239

Fig.7.39. Valorificarea cldurii latente de solidificare n cazul pompelor termice detip aer-ap


48/64


combinaii i adaptri din aceste sisteme de baz. Necesitatea de stocare termic aunei mari cantitide ghea dicteaz moduri noi de planificare n cadrul proiectriiarhitecturale a cldirilor. Proiectarea sistemelor de nclzire i de rcire alecldirilor sunt i ele influenate de noile condiii.

Eficiena pompelor termice, economia de energie i reducerea degajrilor degaze cu efect de ser

Eficiena ridicat a sistemelor de pompe termice cuplate la sol conduce lareducerea energiei consumate n vederea asigurrii confortului termic. Adeseaenergia necesar pompei termice este produs prin arderea unui combustibil fosil iprin urmare eficiena crescut a acesteia va implica un consum mai mic de resurseepuizabile, conform Fig.7.40. Costurile cu energia pot fi mai mici dect cele ale

altor sisteme de nclzire convenionale mai ales cele electrice, sau cu combustibillichid. energiei nscriindu-se prin aceasta n msurile ce vizeaz limitareaschimbrilor climatice.

Trebuie inut seama i de faptul c introducerea unei pompe termice va creteconsumul de energie electric i va scdea cheltuielile cu combustibilul gazos.Conform Environmental Protection Agency (EPA) pompele termice geotericee potreduce consumul de energie cu pn la 44% comparativ cu pompele termice avndca izvor de cldur aerul i cu pn la 72% comparativ cu nclzirea bazat perezistene electrice caracteristic instalaiilor convenionale de condiionare a

240

Fig.7.40. Pompele termice realizeaz economii importante deenergie ntruct acoper cca 2/3 din necesarul de energie termic

rin cldura reluat din sol


49/64


aerului. n cazul utilizrii pardoselii radiante se pot obine economii ce pot atinge30% comparativ cu caloriferele clasice.Pompele termice contribuie la protecia mediului nconjurtor prin reducereaemisiilor de gaze cu efect de ser, Fig.7.41, ca urmare a utilizrii mai eficiente aenergiei.Comoditatea de instalare a pompelor termice avnd ca surs de cldur aerul afcut ca acestea s se extind iniial cel mai repede ns cele de sol (GW) au oflexibilitate mai mare: nu depind de variaiile temperaturii ambiante, nu necesitdegivrarea, au o eficien sezonier mai mare.

Durata de via a pompelor termice este considerat a fi de 1520 ani. Uniiproductori indic chiar o perioad de 25 de ani. Elementul critic este compresorulcare poate funciona fr defeciuni 5 pn la 10 ani. Unii productori ofergaranii de 1 an pentru compresor.

Instalarea pompelor termice geotermice reprezint un proces complex n caresarcina termic a cldirii trebuie adaptat la cea a pompei, iar cuplarea acesteia lasistemul de colectare din sol joac de asemenea un rol important. ntregul sistem

trebuie s corespund cu precizie att sarcinii de nclzire ct i celei de rcire idezumidificare. De aceea coordonarea celor trei tipuri de lucrri, anume celelegate de instalarea n sol a elementelor de colectare, apoi alegerea, amplasarea iinstalarea pompei termice propriu-zise i n final sistemul de distribuie din cldireconstituie un imperativ fr de care succesul proiectului nu poate fi asigurat.Eventualele informaii existente referitoare la puuri din zon trebuie verificate peteren.

241

Fig.7.41. Degajrile de noxe, n spe a bioxidului de carbon, reprezint un criteriu

de mare importan n alegerea tipului de instalaie pentru nclzire/rcire.


50/64


Amortizarea investiiei pentru pompele termice, conform unui studiu efectuat n

SUA este cuprins ntre 8 ani (bibliotec public, cldiri publice) i 6,5 ani (casaunifamilial). Reducerea cheltuielilor pentru nclzire/rcire, precum i adegajrilor de bioxid de carbon constituie premizele extinderii n viitor a instalriii utilizrii pompelor termice n contextul schimbrilor climatice tot mai evidente,dar i a epuizrii resurselor de combustibili fosili, conform Fig.7.42.

242

Fig.7.42. Consumul de energie i cheltuielile anuale aferente pentrudiverse tipuri de sisteme de nclzire


51/64


Calculul pompelor termice

Metoda de calcul se poate aplica pompelor termice antrenate cu ajutorul unuielectromotor, sau a unui motor cu ardere intern precum i a pompelor termice cuabsorbie. n cele ce urmeaz va fi tratat cazul frecvent ntlnit al pompelor termiceantrenate de un electromotor. Metoda descris are aplicabilitate extins la maimulte tipuri de pompe de cldur (aer-ap, aer-aer, saramur-ap, ap-ap, etc) nsabordarea explicit se va referi la cele de tip ap-ap.ntruct pompa de cldur trebuie s acopere att necesarul de cldur pentrunclzire ct i pe cel de preparare a apei calde menajere (acm) se va aborda soluiacombinat.Funcionarea pompei de cldur poate fi de tip alternativ, sau simultan; n cazul

funcionrii alternative pompa de cldur d prioritate preparrii acmdeconectndu-se de la sistemul de distribuie a cldurii pentru nclzire i cuplndu-

se la sistemul de preparare a acm. Furnizarea simultan a cldurii pentru nclzireprecum i pentru prepararea acm este caracterizat de alte caracteristici pentruCOP i care trebuie luate n considerare n calcul.

Elemente ce trebuie luate n considerare n cadrul metodei de calcul datoritinfluenei pe care le exercit asupra factorului performanei seyoniere i imlicitasupra energiei electrice necesare pentru funcionarea sistemului de pompetermice:

- Tipul generatorului (aer-ap, lichid-ap, aer-aer)-

nclzirea i prepararea acm- Efectul modificrii temperaturilor sursei i al consumatorului asupraenergiei furnizate i al COP

- Efectul ciclrii respectiv al funcionrii intermitente- Necesarul de energie auxiliar destinat funcionrii generatorului i care

nu a fost luat n considerare la testele standard de determinare a energieifurnizate i al COP

- Pierderile sistemului datorate componentelor de stocare incluse n sistem.

Structurarea calculelor s-a fcut prin luarea n considerare a urmtoarelor dateiniiale:

- Tipul pompei de cldur (aer-ap, lichid-ap, aer-aer)- Configuraia sistemului (producerea integrat a acm, regimul de lucru al

sistemului care asigur cldura suplimentar n cazul n care pompa decldur nu poate satisface cerinele energetice ale consumatorului)

243


52/64


- Condiiile ambiante de mediu (datele meteo specifice locaieigeografice).

Pe baza acestor date iniiale se calculeaz urmtoarele mrimi de ieire:

- energia necesar (sub form de energie electric) Ein, g pentru ca sistemuls poat acoperi cerinele de cldur i de acm

- pierderile totale de cldur ale generatorului Qp, g- energia auxiliar necesar pentru funcionarea generatorului Wg- pierderile de cldur total recuperabile Qrb, g,,t

Calculul necesarului de cldur total pentru o cldire constituit din zone multipleva fi suma componentelor pentru fiecare zon n parte.

Funcionarea combinat (nclzire +prepararea acm). ntruct pompa de cldureste destinat s ndeplineasc att funcia de nclzire a spaiilor ct i pe cea depreparare a acm funcionarea acesteia poate fi de tip alternativ sau simultan.La regimul alternativ pompa de cldur ntrerupe furnizarea de cldur pentruspaii conectndu-se la sistemul de furnizare al acm respectiv la stocatorul de apcald care este cuplat n paralel cu sistemul de emisie al cldurii, conform Fig.7.43(regimul de preparare a acm are prioritate n raport cu cel de nclzire al spaiilor).

Pentru funcionarea simultan a pompei de cldur n regim de nclzire a spaiilorprecum i de furnizare a acm sunt necesare concepte noi care mbuntesc ciclulacestora (prercirea agentului supranclzit, subrcirea condensatului, cicluri n

244

Fig.7.43. Utilizarea combinat a pompei de cldur pentru nclzireaspaiilor i pentru prepararea acm n regim alternativ.


53/64


cascad cu schimbtoare de cldur interne). Schema acestor pompe de cldureste mai complex i preul lor este mai mare.

Metode de calcul. Normele EU prevd dou metode de calcul: Metoda simplificat de calcul al performanei sezoniere bazat pe aa-numita

anex naional i care permite soluionarea pentru regiuni/ri specifice. nacest scop sunt necesare valori specifice zonei fr de care nu

7. pompe de caldura

Documents