ANALIZA ENERGETICA A PRODUCERII CALDURII

Caldura necesara incalzirii cladirilor si a prepararii apei calde menajere si sanitare se poate produce cu o sursa clasica (cazan termic) sau cu o pompa de caldura.

Pentru o analiza energetica a modurilor de producere a caldurii consideram aceiasi cantitate de energie primara (combustibil gazos de exemplu) si analizand pierderile ce intervin in procesele de producere a caldurii obtinem in fiecare caz analizat cantitatea de caldura produsa de instalatie (cazan termic sau pompa de caldura). Se poate evidentia astfel gradul de utilizare a combustibilului de fiecare instalatie.

1. Producerea caldurii cu un cazan termic.

Sunt analizate doua cazuri, dupa tipul de combustibil utilizat: lichid sau gazos.

a)     Energia primara: pacura.

In figura 1 este prezentata schema de producere a caldurii cu un cazan termic alimentat cu pacura.

Fig. 1. Producerea caldurii cu un cazan cu pacura.

Astfel, din energia primara E_P (100%) reprezentata de combustibil, scazand pierderile referitoare la acesta p_COMB (rafinare, transport, descarcare si manipulare), apreciate la 10%, obtinem energia combustibilului efectiv intrata in cazan, E_COMB.

Considerand un randament al cazanului h_CAZ = 0.7.0.78, care ia in consideratie atat pierderile prin arderea incompleta, prin radiatie si prin gazele arse, dar si cele datorate functionarii la sarcina partiala, rezulta caldura utila cedata consumatorului de caldura:

(2)

Gradul de valorificare a energiei primare, la un cazan cu pacura, va fi:

(3)

In figura 2 se prezinta bilantul energetic al cazanului cu pacura, tinand seama de consideratiile mentionate.

Fig. 2. Bilantul energetic al cazanului cu pacura.

b) Energie primara: gaze.

In acest caz nu exista pierderi referitoare la combustibil (p_COMB = 0), iar randa-mentul minim al unui cazan cu gaz este mai mare decat cel cu pacura (h_CAZ = 0.8), incat obtinem:

(4)

(5)

Bilantul energetic al unui cazan alimentat cu combustibil gazos este prezentat in figura 3.

Fig. 3. Bilantul energetic al cazanului cu combustibil gazos.

2. Producerea caldurii cu pompe de caldura.

a) Pompa de caldura cu comprimare mecanica, cu motor electric

Fig. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu electrocompresor (PCEK).

Figura 4 prezinta schema de producere a caldurii cu o pompa de caldura cu electrocompresor. Caldura poate fi produsa integral de poma de caldura (functionare individuala) sau partial de pompa de caldura si complementar de o sursa clasica (functionare bivalenta).

* Functionare individuala

In vaporizatorul V al pompei de caldura este preluata caldura de la un izvor de caldura. Tinand seama de pierderile ce intervin la preluarea acestei calduri (p_IZV = 10%), datorate diferentelor de caldura dintre mediile ce transporta caldura, putem obtine puterea termica a vaporizatorului .

Energia de actionare a pompei de caldura E_p,PC, deci pentru antrenarea motorului electric M al compresorului K, este produsa intr-o centrala termo-electrica cu un randament h_EL = 0.38. Considerand si pierderile intervenite la transportul energiei electrice (de la CTE la motorul electric, p_EL = 2%) si cele referitoare la antrenarea compresorului (consideram un randament mecanic h_m = 0.97) rezulta puterea P_K consumata de compresor.

(6)

Considerand un coeficient de performanta al pompei de caldura , putem obtine fluxul de caldura cedat de condensatorul C, :

(7)

Aceasta este deci caldura utila cedata consumatorului de caldura, :

(8)

Gradul de valorificare a energiei primare la pompa de caldura cu electro-compresor, cu functionare individuala, va fi deci:

(9)

Daca in cazul producerii caldurii cu un cazan termic gradul de valorificare a energiei primare este < 1, in cazul pompelor de caldura el este > 1, deci se produce mai multa caldura decat energia primara utilizata. In cazul pompei de caldura cu electro-compresor = 0.8 (ca la cazanul cu gaze) daca = 2.21, situatie la care nu se mai recomanda ca pompa de caldura sa functioneze.

Bilantul energetic al producerii caldurii cu o pompa de caldura cu electro-compresor cu functionare individuala este prezentat in figura 5.

Fig. 5. Bilantul energetic al PCEK.

* Functionare bivalenta

In acest caz pompa de caldura este cuplata cu o sursa clasica de producere a caldurii, (consideram un cazan cu gaze pentru a putea face comparatia cu cazul producerii caldurii integral de acesta), care intra in functionare cand apare un varf de consum si cererea de caldura nu poate fi satisfacuta complet de catre pompa de caldura. Deci caldura utila cedata consumatorului de caldura F_U este partial acoperita de pompa de caldura, F_U,PC si partial de cazanul termic F_U,CT

Caldura utila oferita de pompa de caldura reprezinta cca 65.70%, restul de 35.30% este asigurata de cazan (fie simultan cu pompa de caldura, fie la o functionare doar a cazanului, cand temperatura exterioara este mai coborata si functionarea pompei de caldura nu se mai recomanda).

Caldura utila cedata de pompa de caldura va fi:

Caldura utila cedata de cazanul termic cu gaz va fi:

Considerand ca

si ca

(14)

se propune ca necunoscuta una din cele doua energii primare (E_P,PC =x) si considerand pierderile, randamentele si eficienta pompei de caldura luate in calcul anterior, bilantul global al instalatiei devine:

(15)

relatie care conduce la solutia: x = 59.62.

Cu aceasta, caldura utila cedata consumatorului de caldura devine:

(16)

rezultand urmatoarele participatii ale celor doua utilaje in caldura utila cedata consumatorului:

T 66.7% din totalul caldurii cedate;

T 33.3% din totalul caldurii cedate.

Fig. 6. Bilantul energetic al instalatiei cu functionare bivalenta (PCEK + CT).

Gradul de valorificare a combustibilului la instalatia cu functionare bivalenta (pompa de caldura cu electrocompresor si cazan termic cu gaze) va fi deci:

evident mai mai mic decat in cazul pompei de caldura cu electrocompresor cu functionare individuala, reducerea fiind datorata utilizarii si a cazanului termic.

In figura 6. se prezinta bilantul energetic al instalatiei de producere a caldurii cu functionare bivalenta (pompa de caldura cu electrocompresor si cazan termic cu gaze).

b). Pompa de caldura cu comprimare mecanica, cu motor termic.

Fig. 7. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu motor termic.

Motorul termic MT este mai scump decat unul electric, fiind dotat cu un dispozitiv de racire cu apa, RM si eventual cu un recuperator de caldura din gazele arse, RG. In acelasi timp, exista posibilitatea recuperarii unei cantitati de caldura, altfel pierduta in mediul ambiant, prin racirea motorului si a gazelor de ardere (ce rezulta din combustibilul care alimenteaza motorul termic). Aceste fluxuri de caldura () se adauga celui cedat de condensator (), obtinand astfel, atat o cantitate mai mare de caldura cedata consumatorului, cat si un potential termic mai ridicat (apa calda preparata se poate incalzi inseriat functie de solicitarea consumatorului). Cum temperatura de condensare este limitata de presiunea fluidului de lucru, in condensator se va realiza prima treapta de incalzire. Apa calda va fi incalzita in continuare in racitorul motorului iar incalzirea de varf va fi realizata pe seama gazelor arse.

Bine inteles ca si aceasta pompa de caldura poate functiona in regim bivalent, cuplata cu o instalatie clasica de producere a caldurii, caz in care determinarea gradului de valorificare a combustibilului se face similar pompei de caldura cu motor electric, dar pentru simplificare se va prezenta doar situatia functionarii individuale.

unde:

= (19)

(20)

Consideram un randament al motorului termic , un randament al recuperarii de caldura in cele doua schimbatoare de caldura, racitorul motorului termic RM si racitorul de gaze arse RG, , un coeficient de performanta a pompei de caldura , pierderile la preluarea caldurii de la izvor, p_IZV si pierderile auxiliare datorate suflantei de gaze arse si pompei de apa racire a motorului termic p_AUX = 3%. Obtinem astfel gradul de valorificare a energiei primare in cazul pompei de caldura cu motor termic, la o functionare individuala:

= 1.416 (21)

Conform normelor germane DIN 4701, proportia fluxurilor de caldura datorate condensatorului pompei de caldura si recuperarilor de caldura din totalul caldurii utile cedate consumatorului este:

F_C F_u F_REC F_u

Se remarca gradul ridicat de valorificare a energiei primare in acest caz, compensand investitia superioara fata de o pompa de caldura cu motor electric. Astfel, de cate ori exista posibilitatea alimentarii pompei de caldura direct cu combustibil se recomanda aceasta instalatie.

Bilantul energetic al pompei de caldura cu motor termic este prezentat in figura 8.

Fig. 8. Bilantul energetic al pompei de caldura cu motor termic

c) Pompa de caldura cu absorbtie.

Exista doua variante de instalatii frigorifice cu absorbtie: cu solutie apa-amoniac (cu temperaturi de vaporizare positive sau negative) si cu solutie bromura de litiu-apa (cu temperaturi de vaporizare doar positive), ambele utilizabile si ca pompe de caldura. In acest caz este analizata cea cu solutie apa-amoniac, care poate fi cuplat cu izvoare de caldura cu temperaturi mai variate. Schema producerii caldurii cu o pompa de caldura cu absorbtie cu solutie apa-amoniac este prezentata in figura 9.

Caldura de la izvorul de caldura, diminuata cu pierderile , ajunge in vaporizatorul V al pompei de caldura, unde serveste la vaporizarea amoniacului ().

Compresorul actionat de un motor electric sau termic, de la instalatia cu compresie mecanica, este inlocuit acum de "compresorul termochimic", alcatuit din ansamblul de utilaje: absorbitor A, pompa de solutie concentrata P_S, economizor E, fierbator F, deflegmator D_F si ventil de laminare pentru solutia diluata VL_S. Actionarea "compresorului termochimic" implica alimentarea fierbatorului cu energia termica cedata de un agent incalzitor (abur, condens, apa calda, gaze calde), sau de un combu-stibil si a pompei de solutie cu energia electrica P_P. In acelasi timp, se produce caldura in absorbitor si in deflegmator. Astfel, caldura utila cedata consumatorului de caldura, adaugand si caldura cedata in condensatorul C va fi:

(22)

Fig. 9. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu absorbtie in solutie apa-amoniac.

Similar pompei de caldura cu compresie mecanica cu motor termic, si aici caldura utila este preparata in 3 utilaje, rezultand atat o cantitate mai mare cat si un potential termic superior. Cum temperatura de condensare este limitata de presiunea maxima din instalatie, condensatorul constituie prima treapta de incalzire; urmeaza incalzirea din deflegmator, pe seama vaporilor supraincalziti de amoniac si cea finala din absorbitor.

Comparativ cu caldura cedata in condensator, caldura reprezinta 15.30%, iar 150.170%, deci in acest caz caldura utila este dubla fata de pompa de caldura cu electrocompresor, cand se producea caldura doar in condensator. In acelasi timp, trebuie mentionat ca si energia de actionare a fierbatorului este mult mai mare decat cea necesara actionarii compresorului ( >), dar fiind energie termica este mai usor d e produs, fiind deci mai ieftina, mai ales cand se poate utiliza un agent termic deseu. Energia electrica necesara antrenarii pompei de solutie este neglijabila ().

Desi pompa de caldura cu absorbtie este mai complicata decat cea cu electro-compresor, faptul ca nu are piese in miscare (doar pompa de solutie), deci are un grad redus de uzura care conduce la o perioada dubla de utilizare, face aceasta instalatie rentabila, mai ales la puteri termice mari.

Utilizand relatia coeficientului de performanta al acestei pompe de caldura:

(23)

unde:

(24)

(25)

in care au valorile considerate in exemplele anterioare, iar randamentul transportului agentului incalzitor de la CT la fierbator, = 0.97. Coeficientul de performanta uzual al pompei de caldura cu absorbtie in solutie apa - amoniac .= 1.58.

Stiind ca energia primara pentru aceasta pompa de caldura este compusa din cea necesara producerii agentului incalzitor (pentru alimentarea fierbatorului) si din cea electrica pentru alimentarea pompei de solutie:

(26)

si considerand necunoscuta E_P,P = x, cu relatia dintre si P_P obtinem:

(27)

cu solutia: x = 0.01

Caldura utila cedata de aceasta pompa de caldura, utilizand si relatia (23) va fi deci:

=

= ] (28)

Gradul de valorificare a energiei primare de catre pompa de caldura cu absorbtie in solutie apa - amoniac este:

(29)

Bilantul energetic al acestei pompe de caldura este prezentat in figura 10.

`Fig. 10. Bilantul energetic al pompei de caldura cu absorbtie in solutie apa - amoniac.

d) Pompa de caldura cu ejectie

Producerea caldurii cu pompa de caldura cu ejectie este prezentata in figura 11.

Caldura preluata de la izvorul de caldura , diminuata cu pierderile inerente , este utilizata in vaporizatorul V (). Pentru antrenarea vaporilor produsi in vaporizator, ejectorul E utilizeaza energia adusa de aburul de actionare , produs intr-o centrala termica cu combustibil gazos.

Cele doua energii termice, din vaporizator si de la aburul de antrenare a ejectorului se regasesc in fluxul de caldura cedat in condensatorul C catre consumatorul de caldura:

= (30)

Cu coeficientul de performanta al acestei pompe de caldura () obtinem:

(31)

Fig. 11. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu ejectie.

Gradul de valorificare a energiei primare de catre pompa de caldura cu ejectie va fi deci:

(32)

Este evident cel mai scazut grad de valorificare a energiei primare de catre o pompa de caldura cu functionare individuala, din cauza marelui consum de energie de actionare a ejectorului, impus de randamentul foarte scazut al acestui "compresor". Raman valabile insa consideratiile referitoare la tipul de energie de actionare (termica, deci mai usor de produs) mentionate si la pompa de caldura cu absorbtie.

Totusi, chiar si in acest caz, se produce mai multa caldura decat in cazul prepararii clasice (cu cazan termic).

Bilantul energetic al pompei de caldura cu ejectie este prezentat in figura 12.

In tabelul 1 sunt prezentate rezultatele analizei energetice a producerii clasice a caldurii (cu cazane termice) si cu diferite pompe de caldura. Se evidentiaza economiile de combustibil (energie primara) realizate de toate pompele de caldura fata de situatia prepararii caldurii cu cazanul termic cu gaze. Este prezentat si cazul cazanului cu pacura, care utilizand mai multa energie primara va conduce la economii de combustibil mai mari pentru pompele de caldura. Deasemenea, este prezentata si functionarea in regim bivalent pentru pompa de caldura cu electrocompresor. Evident ca si celelalte pompe de caldura pot functiona in regim bivalent, calculul gradului de valorificare a energiei primare in aceste cazuri putandu-se face corespunzator fiecarei situatii.

Fig. 12. Bilantul energetic al pompei de caldura cu ejectie.

Tabel. 1. Analiza energetica a producerii caldurii.