Economia optima de energie in...
Masuri de prevenire si stingere... - partea III
Ce este Samsung DVM?
Novet - Ro - Noi incalzim lumea.
Statiile de pompare ABS Piranhamat...
Utilizarea complexa a energiei geotermale
Ferroli Romania: Domitop...
Incalzirea spatiilor mari - partea a IV-a
Junkers: traditie in sisteme...
Pila electrica cu combustie...
Armacell - O firma tanara cu o traditie...
Sisteme din cupru - sisteme profesionale...
Asigurarea apei calde pentru consumul...
Laing: Cazane electrice pentru...
HOBBIT Industrial: Sistemele electrice...
Utilizarea pompelor de caldura la incalzirea...
O provocare a calitatii germane Vaillant:...
Noutati privind instalatiile electrice...
Riello: un lider mondia
Sisteme radiante de racire cu tuburi subtiri
Despre instalatii de conditionare si...
Viessmann prezinta: Utilizarea energiei...
Apele pluviale
Honeywell: Un standard in...
Selin S: Siguranta pe termen indelungat
Metode de echilibrare hidraulica
Economii de energie prin utilizarea...
Bolidtan - pentru arene exterioare
Polymet-L: Tubul flexibil multistrat...

Utilizarea pompelor de caldura la incalzirea cladirilor - partea I

Introducerea pe scara din ce in ce mai larga a pompelor de caldura cu comprimare mecanica de vapori in schemele de alimentare cu caldura a cladirilor este determinata de mai multe considerente:

  • existenta unor surse gratuite de caldura de tipul: aer (aerul exterior sau aerul evacuat prin instalatiile de ventilare), apa (apa de suprafata, apa freatica, apa calda uzata evacuata prin instalatiile de canalizare, ape geotermale) si sol;
  • superioritatea sistemelor care utilizeaza pompe de caldura, atat din punct de vedere economic, cat si din punct de vedere al protectiei mediului inconjurator prin reducerea semnificativa a emisiilor de CO2;
  • inlaturarea inconvenientelor provocate de utilizarea combustibililor clasici (transport, stocare, poluare);
  • posibilitatea utilizarii aceleiasi instalatii, printr-o simpla inversare a ciclului, pentru racire in anotimpul calduros.

Prin realizarea unor cladiri cu necesar de caldura redus, impuse de preturile in crestere ale energiei termice, suportate din ce in ce mai greu de consumatori, creste si eficienta sistemelor de incalzire ce utilizeaza surse de energie neconventionala.
Implementarea pompei de caldura intr-un sistem existent, conduce in mod firesc la interactiuni cu sursa (sursele) de caldura din componenta acestuia. De la caz la caz, pompa de caldura poate coopera cu sursele clasice existente sau le poate inlocui total daca efectul util (cantitatea si calitatea caldurii produse), precum si eficienta economica a solutiei sunt acceptabile.
In cazul realizarii unui sistem nou de alimentare cu caldura avand in componenta si pompa de caldura, pot fi realizate inca din faza de conceptie a solutiei toate conditiile necesare unei perfecte integrari a pompei de caldura in ansamblul sistemului, astfel incat in toate situatiile functionale sa se obtina eficienta maxima.
Pompa de caldura obtine aproximativ trei sferturi din energia necesara pentru incalzire din mediul inconjurator, iar pentru restul pompa de caldura utilizeaza ca energie de actionare curent electric. Pompa de caldura ofera posibilitatea utilizarii caldurii ecologice (energie solara acumulata in sol, apa si aer) pentru o incalzire economica si ecologica. Pentru utilizarea practica a acestor surse de energie trebuie respectate urmatoarele criterii: disponibilitate suficienta, capacitate cat mai mare de acumulare, nivel cat mai ridicat de temperatura, regenerare suficienta, captare economica, timp redus de asteptare.

Regimuri de functionare a pompelor de caldura
Regimul de functionare a pompelor de caldura se adapteaza sistemului de distributie a energiei termice existent in cladiri. In cazul in care este necesara o temperatura pe conducta de ducere superioara temperaturii maxime pe ducere a pompei de caldura (55°C), atunci pompa de caldura va functiona numai in completarea unei surse de caldura clasice. In cladirile noi se va alege un sistem de distributie cu o temperatura maxima pe conducta de ducere de 35°C.
Din punct de vedere tehnic se pot diferentia urmatoarele regimuri de functionare:

  • Regimul de functionare monovalent. In cazul regimului monovalent instalatia cu pompa de caldura acopera intregul necesar de caldura al cladirii. Sistemul de distributie trebuie dimensionat pentru o temperatura pe ducere inferioara temperaturii maxime pe ducere a pompei de caldura.
  • Regimul de functionare bivalent. O instalatie de incalzire bivalenta are doua surse de caldura. Pompa de caldura cu actionare electrica este combinata cu cel putin o sursa de caldura pentru combustibili solizi, lichizi sau gazosi.
  • Regimul de functionare monoenergetic este un regim de functionare bivalent la care cea de-a doua sursa de caldura (sursa auxiliara) functioneaza cu acelasi tip de energie (curent electric) ca si pompa de caldura.
  • Caracteristici tarifare referitoare la regimurile de functionare. Pentru a face posibila functionarea economica a instalatiei de incalzire cu pompe de caldura, in unele tari, furnizorul de energie electrica ofera tarife speciale pentru pompe de caldura. Aceste tarife presupun de regula, ca alimentarea cu energie electrica a pompelor de caldura sa poata fi intrerupta in timpul in care reteaua este suprasolicitata.

De exemplu, alimentarea cu energie electrica a instalatiilor cu pompe de caldura cu regim de functionare monovalent, poate fi intrerupta in 24 de ore de trei ori pentru maximum doua ore. Timpii de functionare dintre doua intreruperi nu trebuie sa fie mai mici decat perioada de intrerupere anterioara.
In cazul instalatiilor cu pompe de caldura cu functionare bivalenta, alimentarea cu energie electrica se poate intrerupe in timpul perioadei de incalzire pentru maximum 960 ore.
Pentru cladirile existente se recomanda regimul de functionare bivalent, deoarece exista o sursa de caldura, care de obicei se poate utiliza in continuare, pentru a putea acoperi sarcinile de varf din zilele reci de iarna cu temperaturi necesare pe ducere de peste 55°C.
Pentru cladirile noi s-a dovedit util regimul de functionare monovalent, care se poate intrerupe. Pompa de caldura poate acoperi necesarul de caldura anual, iar perioadele de intrerupere nu conduc la perturbatii in functionare, deoarece, de exemplu, incalzirea prin pardoseala datorita capacitatii de acumulare, poate depasi perioadele de intrerupere fara a se constata modificari ale temperaturii de confort.

Dimensionarea pompelor de caldura
In cazul instalatiilor cu pompe de caldura este foarte importanta dimensionarea corecta a pompei de caldura, deoarece daca se aleg aparate prea mari atunci si costurile vor fi ridicate.
Se va stabili necesarul de caldura pentru cladire Qnec, conform metodologiei standardelor in vigoare. Pentru efectuarea ofertei de pompa de caldura este suficient sa se stabileasca necesarul estimativ de caldura prin inmultirea suprafetei incalzite cu un necesar de caldura specifica.
In cazul regimului de functionare monovalent, pentru a putea determina puterea termica necesara a pompei de caldura trebuie sa se ia in considerare suplimentele pentru eventualele perioade de intrerupere ale unitatii de alimentare cu energie electrica.
Pentru a acoperi necesarul de caldura maxim pe timpul zilei (24 h), datorita perioadelor de intrerupere de 3×2 ore sunt disponibile numai 18h/zi. Datorita inertiei cladirii nu se va tine seama de 2h, astfel incat puterea termica necesara a pompei de caldura, in kW, va fi:

Perioadele de intrerupere apar numai in caz de nevoie.
Pentru prepararea apei calde de consum in cladiri de locuit corespunde o putere termica suplimentara, conform tabelului 2, care se ia in considerare numai atunci cand este mai mare decat 20% din necesarul de caldura pentru incalzire.

Pompe de caldura utilizand solul ca sursa de caldura
Solul are proprietatea ca poate acumula si mentine energia solara pe o perioada mai lunga de timp, ceea ce conduce la un nivel de temperatura al sursei de caldura aproximativ constant de-a lungul intregului an si astfel la o functionare a pompelor de caldura cu eficienta ridicata.
Energia este captata de sol, fie direct sub forma de radiatii, fie indirect sub forma de caldura provenita de la ploi si din aer. Caldura acumulata in sol se preia prin schimbatoare de caldura montate orizontal (serpentine) sau vertical (sonde pentru sol).
Temperatura solului variaza in stratul superior in functie de anotimp (fig. 1). Imediat ce se coboara sub nivelul de inghet, aceste variatii sunt mult mai reduse.
Sistemul de utilizare a caldurii recuperate din sol este compus din:

  • instalatia de captare a caldurii din sol;
  • o instalatia de preparare a agentului termic folosind o pompa de caldura cu compresie.

Instalatiile vor functiona de regula in regim monovalent. Pompa termica preia caldura prin intermediul unei serpentine, ingropata in sol la adancimi cuprinse intre 0,5 si 2 m. La nivelul condensatorului, caldura extrasa din sol este transmisa intr-un circuit de incalzire si/sau preparare a apei calde de consum.
Preluarea caldurii din sol se poate face in sistem direct, cand serpentina ingropata in sol, parcursa de agentul frigorific, are rol de vaporizator sau in sistem indirect prin utilizarea unui sistem de apa glicolata (sarata), care transmite caldura extrasa din sol agentului de lucru la nivelul vaporizatorului de caldura. Serpentina poate fi confectionata din cupru, in cazul sistemelor directe, respectiv din tuburi din materiale plastice in cazul sistemelor indirecte.
Tuburile din material plastic (PE) se amplaseaza paralel, in sol, la o adancime de 1,2 pana la 1,5 m si in functie de diametrul ales al tubului, la o distanta de cca. 0,5…0,7 m, astfel incat pe fiecare m2 de suprafata de absorbtie sa fie montat cca. 1,43…2,00 m de tub. Lungimea tuburilor nu trebuie sa depaseasca 100 m, deoarece, in caz contrar, pierderile de presiune si astfel puterea pompei ar fi prea ridicate.
U un sistem de incalzire echipat cu pompa de caldura monovalenta prevazuta cu schimbator de caldura tip serpentina, care alimenteaza cu energie termica o instalatie de incalzire de joasa temperatura.
Caldura care se transfera din straturile inferioare ale solului spre suprafata este de numai 0,063…0,1 W/m2 si nu poate fi considerata o sursa de caldura utilizabila. De aceea marimea suprafetei necesare de sol depinde foarte mult de proprietatile termofizice ale solului si de energia radianta, adica de conditiile climatice. Capacitatea de acumulare si conductivitatea termica sunt cu atat mai mari cu cat solul este umectat suficient cu apa, cu cat cantitatea de componente minerale este mai ridicata si cu cat cantitatea de pori este mai redusa. Valorile puterii specifice de extractie qE pentru sol, sunt prezentate in tabelul 3.
Suprafata necesara de sol se determina in functie de puterea de racire Qo a pompei de caldura.
Puterea de racire a pompei de caldura se calculeaza ca diferenta intre puterea termica Qc a pompei de caldura si puterea electrica absorbita Pt:

La o putere specifica de extractie qE, rezulta suprafata necesara de sol data de relatia:

Datorita suprafetei mari necesare pentru montarea serpentinei este dificila realizarea chiar si in cazul cladirilor noi, din motive de spatiu. In special in salile aglomerate, cu suprafete foarte mici, spatiul este limitat. Din acest motiv se monteaza sonde verticale pentru sol, care se pot introduce la adancimi de 50…150 m. Sondele sunt fabricate de obicei din tuburi de polietilena.
De regula se monteaza patru tuburi paralele (sonda cu tub dublu cu profil U). Apa sarata curge in jos din distribuitor in doua tuburi si este recirculata in sus prin celelalte doua tuburi spre colector.
In tabelul 4 se prezinta puterea specifica de extractie qE, pentru sonde de sol.
Distanta dintre doua sonde pentru sol trebuie sa fie de 5…6 m. Sondele pentru sol se monteaza, in functie de model, cu utilaje de foraj sau cu utilaje de infigere prin batere.
Volumul nominal VN al vasului de expansiune cu membrana, in litri, pentru circuitul de apa sarata este data de relatia:

unde:

in care: VA este volumul total al instalatiei (schimbator de caldura, conducta de alimentare, pompa de caldura), in litri; V? - coeficient de siguranta (minimum 3 l), in litri; ? - coeficient de dilatare (pentru Tyfocor ? = 0,01); pe - suprapresiunea finala admisa, in bar; psi - presiunea de purjare a supapei de siguranta, egala cu 3 bar; pst - presiunea preliminara a azotului (0,5 bar).
In tabelele 5 si 6 se prezinta caracteristicile tehnice ale pompelor de caldura sol-apa produse de firmele OCHSNER GmbH din Austria si STULZ GmbH din Germania.

Bibliografie
1. OCHSNER, K. Ochsner Wärmepumpen, Handbuch Wärmepumpen, 2001/2002.
2. RADCENCO, V. s.a. Instalatii de pompe de caldura, Editura Tehnica, Bucuresti, 1985.
3. RECKNAGEL, H. - SPRENGER, E. - SCHRAMEK, E. Taschenbuch für Heizung+Klima Technik, Ohdenbourg, Verlag, München, 1995.
4. SARBU, I. Instalatii frigorifice, Editura Mirton, Timisoara, 1998.
5. SARBU, I. - KALMAR, F. Proiectarea asistata de calculator a instalatiilor, Editura Mirton, Timisoara, 2000.
6. SARBU, I - KALMAR, F. Optimizarea energetica a cladirilor, Instalatorul, nr. 7, 2001.
7. SARBU, I. - KALMAR, F. Criterii de optimizare a solutiilor si sistemelor de incalzire a cladirilor, Conferinta "Instalatii pentru Constructii si Confortul Ambiental", Timisoara, 2001.
8. * * * Sisteme de pompe de caldura Viessmann. Instructiuni de proiectare, 2002.


Prof. dr. ing. eur. ing. IOAN SARBU Universitatea "Politehnica" din Timisoara

© Copyright 2006 - Editura Minos