Incalzirea cu pompe de caldura

Incalzirea cu pompe de caldura

1. Instalatii de incalzire utilizand pompe de caldura aer-aer

In recuperarile de caldura, deseori se utilizeaza aerul ca mijloc de transport al caldurii, in scopul incalzirii unui spatiu.

Ca izvor, aerul prezinta avantajul accesibilitatii, mai ales in zonele cu clima blanda. Prin utilizarea aerului evacuat din incintele incalzite, temperatura lui mai ridicata si constanta in timp poate constitui un argument suplimentar.

Incalzirea cu aer cald este economica, necesitand temperaturi reduse, de circa 30 C, realizate de pompe de caldura cu eficiente ridicate, acest fapt justificand numarul mare de aplicatii de acest tip.

Dezavantajul principal al pompelor de caldura aer-aer este dat de transferul slab de caldura al aerului, necesitand astfel suprafete mari de transfer de caldura atat pentru vaporizator cat si pentru condensator. Ameliorari ale acestui neajuns se realizeaza prin circulatia fortata a aerului (cu ventilatoare) si prevederea de promotori de turbulenta. Din acest motiv pompele de caldura aer-aer sunt utilizate pentru puteri termice reduse sau medii. Puterea termica obisnuita este de 15 kW, pentru agregatele individuale, necesare incalzirii unui apartament, ajungand pana la maxim 100 kW la sistemele centralizate. Aceste puteri termice reduse conduc la utilizarea numai a pompelor de caldura cu compresie mecanica.

Alt inconvenient al acestor pompe de caldura il constituie variatia puternica si valorile foarte scazute ale temperaturii izvorului, exact in perioada anului cand se solicita mai multa caldura. Astfel, pompa de caldura va fuctiona in regimuri de lucru din ce in ce mai grele, consumand mai multa energie de actionare. O solutie este utilizarea ca izvor si a aerului evacuat din incinta incalzita.

Deci, izvorul pompei de caldura poate fi: aerul exterior, aerul evacuat sau un amestec de aer exterior cu aer recirculat din cel evacuat, ca in figura 1. Astfel, vaporizatorul V preia caldura atat de la aerul evacuat din spatiul incalzit cat si de la fractia de aer exterior. In acelasi timp, condensatorul C incalzeste amestecul de aer exterior si aer evacuat, recirculat.

Fig. 1. Functionarea unei pompe de caldura cu aer recirculat.

Pompele de caldura aer-aer sunt raspandite in general in zonele cu clima moderata, unde realizeaza bune performante in sezoanele de tranzitie. Pentru preluarea varfului de consum, in perioadele foarte reci, sunt prevazute, de regula, cu o instalatie clasica, alternativa (centrala termica la instalatiile mai mari, incalzire electrica la instalatiile mai mici).

In cazul utilizarii ca izvor numai a aerului exterior, cand temperatura suprafetei vaporizatorului, t_SV, coboara sub punctul de roua al aerului, se produce condensarea vaporilor de apa din aer pe suprafata de racire. Cand t_SV < 0 C, condensatul ingheata si are loc givrarea vaporizatorului, cu consecinte neplacute asupra preluarii caldurii de la izvor, prin rezistenta termica suplimentara opusa. Se impune astfel degivrarea periodica, operatie ce necesita intreruperea livrarii de caldura catre consumator, un consum suplimentar de energie si uneori chiar o investitie in plus, deci o diminuare a performantelor pompei de caldura.

In figura 2 este prezentata dependenta eficientei unei pompe de caldura aer-aer de rata de recirculare a aerului din incaperea incalzita. Se remarca cresterea eficientei si coborarea temperaturii care marcheaza inceputul givrarii cu cresterea ratei de recirculare.

Fig. 2. Dependenta eficientei pompei de caldura aer-aer de rata recircularii.

Dupa modul de acoperire a necesarului de caldura, instalatia poate fi prevazuta numai cu o pompa de caldura sau si cu o sursa de adaus (de varf), de regula o rezistenta electrica, in cazul functionarii bivalente.

Totodata, instalatia poate fi utilizata doar ca pompa de caldura (numai pentru incalzire, deci in sezonul rece), sau/si ca instalatie de racire (concomitent, cumuland cele doua efecte de incalzire si racire, sau alternativ in sezonul rece functionand ca pompa de caldura iar in sezonul cald ca instalatie frigorifica). Functionarea bivalenta sau reversibila conduce la performante superioare.

Din punct de vedere constructiv se disting urmatoarele pompe de caldura:

- monobloc, cu toate echipamentele incluse intr-o carcasa amplasata in exterior (pe acoperis, la sol, sau alaturat cladirii deservite, ca in figura 3), in peretele exterior sau in fereastra si in interior (dulap consola plasat langa peretele exterior).

- split, cu doua unitati separate, una plasata in exterior (cuprinzand vaporizatorul si compresorul) si alta plasata in interior (cuprinzand condensatorul). Unitatea interioara poate fi multiplicata, pompa de caldura deservind astfel mai multe incaperi (sistem multisplit).

a) b)

Fig. 3. Amplasarea exterioara a pompei de caldura aer-aer monobloc.

a) alaturat cladirii, b) pe acoperis.

Caracteristicile tehnice ale pompelor de caldura aer-aer sunt foarte diferite, de la un constructor la altul, prin dimensiunile bateriilor de racire (vaporizatorul), sau de incalzire (condensatorul), tipul si numarul de compresoare, debitele de aer, rata recircularii, fluidul de lucru, sistemul de degivrare, sursa de varf, modul de functionare.

In tabelul 1 sunt prezentate cateva pompe de caldura, cu izvorul de caldura aerul sau apa, derivate din instalatiile de climatizare a aerului.

In ultima perioada, exista firme specializate in producerea de pompe de caldura realizate special pentru incalzire si eventual pentru racire ca scop secundar.

In figura 4 este prezentata schema unei pompe de caldura, avand ca izvor aerul exterior, iar consumatorul este aerul din incaperea de locuit. Functionarea este in sistem individual (fara sursa de varf), aceste instalatii fiind raspandite in zonele cu clima blanda, unde temperatura exterioara nu coboara sub 7 C.

Puterile termice sunt reduse, 5-10 kW, aceste pompe de caldura fiind utilizate pentru incalzirea unor apartamente, vile cu suprafata utila de 70150 m². Pentru o functionare cu temperatura de vaporizare t₀= -3 C si cea de condensare t_C=30 C, cu R134a, conform diagramelor prezentate pentru vaporizator si condensator, se obtine o eficienta reala e_PC,R

Fig. 4. Pompa de caldura aer-aer, cu electrocompresor, cu functionare individuala.

a) schema instalatiei, b) variatia temperaturii agentilor in vaporizator si condensator.

O pompa de caldura aer-aer, cu functionare bivalenta, care poate utiliza ca izvor aerul exterior cu temperaturi mai scazute (pana la -12 C) este prezentata in figura Instalatia a fost realizata in Germania, servind pentru incalzirea unei vile cu o suprafata utila de 204 m². Necesarul de incalzire si puterea termica cedata de condensatorul pompei de caldura variaza cu temperatura exterioara ca in graficul din figura b.

Astfel, pentru temperaturi superioare punctului de echilibru termic (t_PET = 9 C), pompa de caldura acopera integral necesarul de incalzire, surplusul de caldura furnizat fiind preluat, de un circuit de apa, in schimbatorul de caldura SC si acumulat in rezervorul R_AC, cu un volum de 3 m³. In acest caz aerul interior din camerele incalzite AI Cm, recirculat peste suprafata condensatorului C este incalzit si apoi cedeaza o parte din caldura acumulata schimbatorului de caldura SC.

Pentru 4 C < t_e < 9 C pompa de caldura asigura partial necesarul de caldura. O instalatie de varf IE (rezistenta electrica cu P_IE=15 kW) completeaza cererea de caldura. Acum aerul interior recirculat este incalzit de condensatorul C si de schimba-torul de caldura SC, prin care circula apa calda incalzita cu rezistenta electrica IE. Excedentul de caldura produs de rezistenta electrica este acumulat in R_AC.

Pentru -12 C < t_e < 4 C acoperirea necesarului de incalzire se face atat de pompa de caldura si rezistenta electrica IE, cat si prin utilizarea caldurii inmagazinate in R_AC. Aerul interior este incalzit in condensatorul C si in schimbatorul de caldura Sc cu apa calda din rezervorul R_AC, incalzita suplimentar cu rezistenta electrica IE.

a)

b)

Fig. Pompa de caldura aer-aer, cu electrocompresor, functionand in sistem bivalent.

a) schema instalatiei, b) acoperirea necesarului de incalzire in functie de temperatura exterioara t_e.

Pentru temperaturi exterioare si mai scazute trebuie alese corespunzator atat schimbatorul de caldura SC si rezervorul de acumulare al apei calde R_AC, cat si rezistenta electrica IE. De regula rezistenta electrica este modulata, putand intra in functiune, in trepte de putere, urmarind curba necesarului de incalzire. Trebuie mentionat ca la temperaturi exterioare mai scazute (sub -15 C), cand izvorul de caldura este aerul exterior, pompa de caldura lucrand cu un coeficient de performanta foarte scazut, functionarea ei este oprita, necesarul de incalzire fiind acoperit doar de incalzirea electrica. Acest sistem poate realiza incalzirea pentru intregul sezon rece, cu o eficienta globala anuala e_SI,GAN

O pompa de caldura aer-aer, cu functionare individuala, utilizand ca izvor aerul evacuat dintr-o hala zootehnica si servind la incalzirea acelei hale, este prezentata in figura 6. Astfel, in vaporizatorul V, aerul evacuat AEv se raceste de la 20 C la 8 C, iar aerul exterior, proaspat, AP este incalzit in condensator de la 0 C la 20 C, fiind introdus apoi in hala. Desi ecartul de temperatura pe care se incalzeste aerul introdus in incapere este mare, utilizarea ca izvor de caldura a aerului evacuat (cu temperatura mai ridicata decat a aerului exterior si constanta in timp), regimul de functionare a pompei de caldura este usor, conducand la realizarea unei bune eficiente globale anuale e_PC,GAN

Fig. 6. Pompa de caldura aer-aer, cu electrocompresor, pentru incalzit o hala zootehnica.

Schema unei instalatii cu functionare bivalenta, utilizata pentru incalzirea si climatizarea unui centru comercial, cu o suprafata de 920 m², este prezentata in figura 7. Sunt prevazute 3 pompe de caldura, fiecare functionand reversibil, asigurand incalzirea centrului iarna si climatizarea vara. O instalatie frigorifica suplimentara IF este utilizata, tot anul, pentru racirea alimentelor. Sursa de caldura de adaus SA este o centrala termica cu gaze.

Incalzirea centrului este asigurata in functie de temperatura exterioara t_e, astfel:

- pentru t_e C, necesarul de incalzire este acoperit de degajarile interne ale complexului si de caldura cedata de condensatorul instalatiei frigorifice IF;

- pentru 2 C < t_e < 12 C, functioneaza si pompa de caldura 1;

- pentru -5 C < t_e < 2 C, functioneaza si pompa de caldura 2;

- pentru -10 C < t_e < -5 C, functioneaza si pompa de caldura 3;

- pentru t_e < -10 C, intra in functiune si incalzirea de varf SA.

Fig. 7. Sistem bivalent de incalzire si de climatizare a unui complex comercial

utilizand pompe de caldura aer-aer cu electrocompresor, reversibile.

Prin utilizarea pompelor de caldura in trepte, in functie de necesarul de incalzire cat si a recuperarilor de caldura, eficienta globala anuala a sistemului de incalzire este e_SI,GAN

Utilizarea unei singure instalatii care sa raspunda, alternativ, celor doua cerinte pentru climatizarea spatiilor (incalzire iarna si racire vara) a condus la realizarea instalatiilor reversibile, care functioneaza in regim de pompa de caldura cand se solicita caldura si in regim de instalatie frigorifica cand se solicita frig.

O prima posibilitate de asigurare a reversibilitatii functionarii instalatiei se realizeaza prin modificarea dupa dorinta a circuitelor de aer, ca in schema prezentata in figura 8, cand vaporizatorul V si condensatorul C isi pastreaza functiunea.

Fig. 8. Conditionarea aerului cu o instalatie reversibila prin schimbarea circuitelor de aer.

Astfel, in sezonul cald aerul interior este racit in vaporizatorul V si recirculat in incapere, iar aerul exterior raceste condensatorul C, instalatia functionand in regim de racire. In sezonul rece, se schimba circuitele de aer, aerul exterior (care acum devine izvorul de caldura) este dirijat prin vaporizatorul V iar aerul interior, este incalzit de condensatorul C si recirculat in incapere, instalatia functionand in regim de pompa de caldura. Modificarea circuitelor de aer se face cu ajutorul unor clapete actionate manual sau automat.

A doua posibilitate de asigurare a reversibilitatii functionarii instalatiei se realizeaza prin inversarea circuitului fluidului de lucru, cele doua schimbatoare de caldura, vaporizatorul si condensatorul, modificandu-si rolul.

In figura 9 este prezentata instalatia reversibila prin inversarea circuitului de freon a firmei Westinghouse, utilizata pentru climatizarea aerului. Exista doua vane inversoare pentru circuitul vaporilor de freon (VI) si a circuitului de freon lichid (CI) intre cele doua schimbatoare de caldura: bateria exterioara si cea interioara. Pentru protectia compresorului K contra patrunderii picaturilor de freon lichid, rezultate dintr-o vaporizare incomplecta, a fost introdusa butelia antisoc B_AS (functionand ca un vaporizator suplimentar).

Este prezentata functionarea ca instalatie frigorifica freonul circuland pe traseul A-B-C-D-E-F-G-H-A. Cand instalatia este pompa de caldura freonul circula pe traseul A-B-G-F-C-D-E-F-C-B-G-H-A.

Fig. 9. Schema frigorifica a instalatiei reversibile Westinghouse pentru     climatizare.

Incalzirea si racirea aerului pot fi realizate si simultan de o instalatie cu dublu efect, ca cea prezentata in figura 10. Este cazul climatizarii aerului, vara, cand se solicita atat racirea si uscarea amestecului M de aer exterior E si a celui recirculat din incapere I, (procesul MR), cat si incalzirea RC, pana la temperatura de confort, cu care aerul este introdus in incaperea de climatizat. In loc sa fie utilizate doua instalatii, una care sa raceasca aerul si alta care sa-l incalzeasca, se poate utiliza una singura care sa asigure ambele efecte.

Astfel, aerul este racit si uscat in bateria de racire BR (de fapt vaporizatorul instalatiei) si apoi este incalzit in bateria de incalzire BI. Aceasta poate fi alimentata cu vaporii comprimati de freon constituind desupraincalzitorul si un prim condensa-tor C₁ al instalatiei frigorifice (un al doilea condensator C₂ evacueaza restul de caldura intr-un circuit de racire) ca in varianta a, sau poate fi alimentata cu o parte din apa incalzita in condensatorul C al instalatiei frigorifice ca in varianta b.

In ambele situatii trebuie evidentiata si diminuarea investitiei la turnul de racire.

Fig. 10. Climatizarea aerului, vara, cu o instalatie cu dublu efect.

a) incalzirea aerului cu vaporii supraincalziti de freon,

b) incalzirea aerului cu apa calda din condensator

Fig. 11. Variatia necesarului de caldura si a caldurii degajate, in functie de suprafata periferica a spatiului incalzit.

Sistemele de incalzire si racire simultana sunt recomandate pentru cladirile cu aglomerari de persoane (supermagazine, sali de spectacol, sali de conferinte), unde, in unele zone ale cladirii, prin degajarile importante de caldura de la sistemul de iluminat, de la diversele aparate si de la ocupantii cladirii poate exista un surplus de caldura fata de pierderile de caldura spre exterior (ca in figura 11), ce se pot recupera si ceda spatiilor periferice, unde exista pierderi de caldura mai importante.

2. Instalatii de incalzire utilizand pompe de caldura aer-apa.

Incalzirea spatiilor poate fi realizata si cu apa, preparata in condensatorul pompei de caldura. Aceste sisteme se dezvolta continuu, atat pentru cladirile existente cat si pentru cele noi.

Corpurile de incalzire impun temperatura ce trebuie produsa de pompa de caldura:

- in ventiloconvectoare, ejectoconvectoare sau aeroterme, t_w=4050 C;

- in panourile radiante (de pardoseala, de perete), t_w=3..40 C.

La sistemele cu izvor de caldura aerul exterior, dependente de temperatura exterioara, cum temperatura apei preparate trebuie sa fie mai ridicata in zilele friguroase, in aceste zile pompa de caldura este frecvent dublata sau inlocuita de incalzirea centrala clasica.

In figura 12 sunt prezentate performantele unor pompe de caldura aer exterior - apa, in functie de temperatura exterioara t_e si de sistemul de incalzire utilizat (panouri radiante PR, corpuri de incalzire Ci).

Fig. 12. Performantele unei pompe de caldura aer exterior-apa.

Functionarea compresorului in regim mai greu (temperatura de condensare in aceste cazuri este mai ridicata), face ca punctul de oprire real PO al pompei de caldura sa fie plasat la temperaturi mai ridicate decat cel teoretic PO_t sau decat cel de la sistemele aer-aer. In acelasi timp, apar si problemele mentionate cu givrarea vaporizatorului, desi decuplarea pompei de caldura la temperaturi mai ridicate (aproximativ 7 C) poate elimina acest inconvenient.

Utilizarea partiala sau totala a aerului evacuat, ca izvor al pompei de caldura, prin temperatura mai ridicata si constanta in timp (1..22 C) prelungeste functiona-rea instalatiei si in sezonul foarte rece. In figura 13 sunt prezentate performantele pompelor de caldura aer evacuat - apa (puterea termica cedata de condensator , puterea electrica absorbita de compresor P_K si eficienta reala ) in functie de temperatura apei calde preparate (t_W).

Fig. 13. Performantele unei pompe de caldura aer evacuat-apa.

Din punct de vedere constructiv, sunt intalnite in general echipamente monobloc, incluzand si pompa de circulatie a apei calde. Plasarea lor poate fi facuta in exterior, la sistemele cu izvor de caldura aerul exterior, sau in interior la cele cu aer evacuat.

Primele sisteme implica izolarea termica a condensatorului si a conductelor de apa calda. Pentru limitarea pierderilor de caldura, aceste instalatii se pot separa intr-o unitate exterioara (incluzand vaporizatorul si compresorul) si una interioara (cuprinzand condensatorul si pompa de apa), alcatuind un sistem gen split.

Folosind ca izvor de caldura aerul, aceste pompe de caldura se utilizeaza pentru puteri termice mici si medii (15-150 kW), la incalzirea locuintelor, birourilor, minihotelurilor, halelor industriale, sau pentru prepararea apei calde de consum. Utilizarea ventilatoarelor, pentru intensificarea vitezei aerului cald, ridica probleme, prin zgomotul produs, la amplasarea in spatiile de dormit. Ultimele realizari, cu minim trei trepte de turatie a ventilatoarelor, diminueaza acest inconvenient.

In figura 14 se prezinta schema unei pompe de caldura aer exterior-apa, realizata de firma Airwell. Instalatia lucreaza in regim bivalent: pentru t_e C, pompa de caldura asigura tot necesarul de incalzire, pentru t_e < 6 C, pompa de caldura este oprita (evitand problemele de givrare) si este pusa in functiune instalatia clasica de incalzire, care alimenteaza aceleasi corpuri de incalzire.

Deoarece vaporizatorul V (plasat in exterior) este inundat de lichid la oprirea instalatiei, pentru protectia compresorului K se prevede o butelie anti-soc B_AS.

Compresorul este de tip ermetic sau semiermetic, cantitatea de agent de lucru din instalatie fiind cuprinsa intre 2 si 15 kg. Electrovalva EV, de echilibrare a presiunii inalte (IP) si joase (JP), in timpul opririi compresorului, permite demararea usoara a compresorului monofazat.

Fig. 14. Pompa de caldura aer exterior-apa (doc. Airwell).

Condensatorul C este realizat din fascicule de cate doua tevi coaxiale, asigurand circulatia in contracurent a freonului (intre tevi) si a apei (in teava centrala). Utilizarea unui schimbator de caldura cu placi reduce diferenta de temperatura dintre fluide si mareste substantial transferul de caldura.

In figura 15 este prezentata schema unei pompe de caldura aer exterior - apa, cu compresie mecanica cu motor termic, realizata de firma Linde pentru asigurarea incalzirii si a apei calde de consum, pentru un imobil colectiv (37 apartamente). Pentru t_e > 0 C, pompa de caldura asigura intregul necesar de caldura, datorita si recuperarilor din schimbatoarele de caldura inseriate condensatorului (racitorul motorului termic RM si racitorul de gaze de ardere RG).

La t_e= 0 C, fluxul de caldura necesar este:

F_NEC F_Cd F_RM F_RG = 109 kW (1)

compresorul consumand puterea de actionare P_K= 30 kW, incat pompa de caldura are o eficienta reala ε_PC,R = 3.6.

La temperaturi mai scazute (t_e < 0 C), pompa de caldura este oprita, necesarul de caldura mai mare (F_NEC = 175 kW, la t_e= -12 C) este acoperit de o sursa de adaus CT (cazan termic cu gaze).

Instalatia prepara apa calda pe ecartul 25/55 C, cu care se produce intr-un boiler B apa calda de consum cu t = 50 C si se realizeaza incalzirea prin pardoseala radianta (PR).

Fig. 1 Prepararea apei calde (pentru consum menajer si incalzire) cu o pompa de caldura     cu compresie cu motor termic (doc. Linde).

In figura 16 este prezentata schema unei instalatii realizate tot de firma Linde pentru climatizarea aerului si incalzirea apei la o piscina acoperita. Iarna, aerul exterior de stare E, amestecat cu aer recirculat din interior de stare I, este incalzit in condensatorul C₁ pana la starea C, cu care este introdus in piscina.

Instalatia functioneaza ca pompa de caldura, izvorul ei fiind aerul evacuat din interiorul piscinei, de stare I, care cedeaza caldura si umiditatea in vaporizatorul V (procesul I-R). In plus, in condensatorul C₂ se prepara apa calda pentru bazinul piscinei. Astfel, bilantul global al instalatei este:

(2)

Daca fluxul F_Cd2, cedat de condensatorul C₂, nu este suficient pentru incalzirea completa a apei, se foloseste si sursa alternativa (electrica) SA.

Statia de tratare ST asigura parametrii de calitate a apei care alimenteaza piscina.

Fig. 16. Climatizarea aerului si incalzirea apei la o piscina acoperita cu o pompa de     caldura (doc. Linde) a) schema instalatiei, b) procesele de tratare a aerului.

3. Instalatii de incalzire utilizand pompe de caldura apa-aer.

Utilizarea principala a acestor pompe de caldura este pentru incalzirea cladirilor de locuit, a birourilor, hotelurilor, restaurantelor si supermagazinelor.

Cum ciclul realizat de pompa de caldura este mai usor (izvorul are temperatura mai ridicata, iar incalzirea cu aer solicita o temperatura de condensare scazuta), aceste instalatii au performante superioare celor de tip aer-aer sau aer-apa.

La pompele de caldura apa-aer, circuitul apei poate fi deschis sau inchis (in bucla).

Instalatiile cu circuit deschis sunt utilizate numai ca pompa de caldura, pentru incalzirea spatiilor, fiind realizate monobloc si amplasate in consola, sub fereastra. Pentru amplasarea in spatii care solicita un zgomot redus, compresorul se plaseaza intr-o carcasa insonorizata si se renunta la ventilatorul condensatorului (incalzirea aerului realizandu-se prin convectie libera).

Instalatiile in bucla de apa sunt utilizate atat ca pompe de caldura (iarna), cat si ca instalatii de racire (vara), fiind reversibile (cu un sistem de inversare a ciclului). Sunt utilizate, in principal, la cladirile care solicita simultan caldura si frig o perioada importanta a anului. In aceasta categorie sunt incluse cladirile cu fatade diametral opuse (Nord si Sud sau Est si Vest), cat si cele care au spatii interne importante si fatade mult vitrate.

Bucla de apa inmagazineaza caldura F_AC, cedata de condensatoarele altor instalatii frigorifice utilizate (pentru climatizarea salilor de calculatoare, pentru depozitarea alimentelor) si chiar de aparatele de iluminat (racite cu apa). Circuitul de apa fiind inchis, se prevede un vas de expansiune inchis, cu perna de azot, pentru compensarea variatiilor de volum ale apei.

Iarna, instalatia functionand ca pompa de caldura asigura incalzirea cladirii, bucla de apa servindu-i ca izvor de caldura se raceste, intalnindu-se situatiile:

a) F_AC < F_IZ, se pune in functiune o sursa alternativa, care incalzeste suplimen-tar apa din bucla,

b) F_AC F_IZ, cazul de echilibru energetic al buclei,

c) F_AC > F_IZ, se evacueaza caldura in exces mediului, printr-un turn de racire cu circuit inchis.

In general, apa din bucla are temperatura 18 C < t_w < 32 C. Cand t_w < 18 C (cazul a) se porneste sursa alternativa de caldura. Cand t_w > 32 C (cazul c) se porneste sistemul de racire a buclei, prin turnul de racire. Utilizarea unei pompe de caldura suplimentare, reversibila, de tip aer exterior-apa, care sa realizeze simultan aceste doua cerinte, conduce la performante superioare ale intregului sistem.

In figura 17 este prezentata schema unei pompe de caldura apa - aer, cu apa in circuit deschis, utilizata la incalzirea unei cladiri individuale.

Este folosita apa unui rau, racita in vaporizatorul V cu cca 5 C, aerul incalzit in condensatorul C fiind refulat in incapere cu 22-24 C. Agentul termic este freonul R134a, care parcurge ciclul pompei de caldura intre t₀ = 3 C si t_C = 30 C, asigurand o eficienta reala, e_PC,R

Vaporizatorul este de tip multitubular, cu vaporizarea freonului in spatiul dintre tevi, apa circuland in tevi, pentru a permite curatirea periodica. Se poate folosi si un schimbatpr de caldura cu placi, cu avantaje atat la exploatare (transfer foarte bun de caldura, curatire usoara) cat si prin spatiul redus necesar.

Fig. 17. Pompa de caldura apa-aer, cu apa in circuit deschis.

Daca temperatura raului este mai scazuta exista pericolul inghetarii apei in vaporizator. In acest caz se folosesc vaporizatoare imersate in bazin, cu vaporizarea freonului in tevi, eventuala gheata formandu-se la exteriorul tevilor, fara pericol de spargere a acestora.

Schema din figura 18 prezinta o instalatie reversibila, in bucla de apa, functionand iarna ca pompa de caldura apa - aer, iar vara ca instalatie frigorifica, bucla de apa racind condensatorul.

Fig. 18. Pompa de caldura apa-aer, cu apa in circuit inchis (in bucla de apa).

Este prezentata situatia de iarna. Izvorul pompei de caldura il constitue cedarile de caldura de la aparatele racite de bucla de apa (aparate de iluminat IL, condensatoare ale altor instalatii frigorifice C₁C₃), care alimenteaza vaporizatorul V. Aerul proaspat, eventual amestecat si cu aer recirculat din incaperi, este incalzit de condensatorul C. Cand temperatura buclei de apa nu este suficient de ridicata, se porneste si sursa alternativa de caldura SA. Daca bucla de apa contine caldura in exces, aceasta se cedeaza mediului prin turnul de racire cu circuit inchis TR.

4. Instalatii de incalzire utilizand pompe de caldura apa-apa.

Folosirea apei atat ca mijloc de preluare a caldurii de la izvorul de caldura, cat si pentru transmiterea caldurii la consumator, prin coeficientii buni de transfer de caldura in vaporiztor si condensator, conduce la instalatii deosebit de compacte, chiar la puteri termice mari.

Aceste instalatii sunt utilizate in doua scopuri:

- la recuperarea caldurii in marile cladiri, cu degajari importante din unele spatii (climatizate) si utilizarea ei la incalzirea celorlalte spatii (care solicita caldura),

- pentru incalzirea si prepararea apei calde de consum din locuinte individuale sau colective, cladiri industriale sau agrozootehnice, complexe sportive, folosind un izvor extern de caldura.

Puterile termice realizate sunt in concordanta cu disponibilul izvorului de caldura (debitul de apa preluat din rau, lac sau din panza freatica), fiind intalnite in domeniul valorilor medii si mari (5005000 kW).

Derivand din instalatiile frigorifice pentru produs apa glaciala, cu condensator racit cu apa, se bazeaza pe compresia mecanica sau pe absorbtie. Din punct de vedere constructiv sunt realizate monobloc si amplasate intr-un spatiu tehnic.

Functionarea pompei de caldura este asociata unei surse alternative de caldura (sistem bivalent) si unui turn de racire (pentru eliminarea excesului de caldura). Pot functiona numai in regim de pompa de caldura, sau/si ca instalatie frigorifica. Reversibilitatea este asigurata prin inversarea ciclului agentului de lucru (la instala-tiile de puteri mai mici), sau a circuitelor de apa (la instalatiile mari).

In figura 19 se prezinta schema unei instalatii care asigura incalzirea si prepararea apei calde pentru dusuri si bazine, la baia centrala din Zurich. Sunt prevazute doua pompe de caldura cu compresie mecanica cu amoniac: prima, PC₁, utilizata pentru incalzire, avand ca izvor de caldura apa de rau cu t_min = 1,5 C si a doua, PC₂, utilizata pentru prepararea apei calde de consum, avand ca izvor de caldura apa evacuata de la dusuri si bai. O sursa alternativa de caldura, SA si un schimbator de caldura pentru prepararea apei de consum, SC, asigura temperatura dorita si in perioada friguroasa. Incalzirea de baza se realizeaza prin pardoseala iar cea suplimentara, cu aer cald, mentinandu-se t_i = 25 C. Apa calda de consum este livrata cu 45 C. Puterea termica totala a instalatiei este 700 kW. Eficienta globala anuala a sistemului, e_SI,GAN

In figura 20 este prezentata o pompa de caldura cu absorbtie in solutie apa-amoniac realizata de firma Borsig pentru incalzirea serelor din Viena.

Fig. 19. Pompa de caldura apa-apa pentru incalzire si preparare de apa calda de consum

(la baia centrala din Zurich).

Izvorul de caldura este apa subterana, care se raceste pe ecartul 10/4 C. Apa calda este incalzita de la 20 C la 45 C. in perioada mai rece, apa este incalzita suplimentar pana la 55 C cu agentul incalzitor al fierbatorului, din circuitul retur, in schimbatorul de caldura SC.

Puterea termica totala a instalatiei (insumand cedarile de caldura din absorbitor, condensator si deflegmator) este = 1160 kW, iar eficienta globala este:

(3)

Fig. 20. Pompa de caldura apa-apa, cu absorbtie, pentru incalzit

serele din Viena (doc. Borsig).

Datorita temperaturii mai ridicate in sezonul rece si a constantei acesteia, apa subterana este utilizata tot mai des ca izvor al pompelor de caldura. Sunt cunoscute realizari in Germania, Elvetia, Franta si chiar in Romania atat pentru puteri termice reduse (apartamente, vile), cat si pentru puteri termice medii (locuinte multifamiliale, sedii de firme) sau puteri termice mari (hoteluri).

In figura 21 se prezinta o instalatie reversibila realizata de firma Ciat, bazata pe modificarea circuitelor de apa: iarna apa subterana (izvorul de caldura) este condusa in vaporizatorul V si cedeaza caldura, iar in condensatorul C este incalzita apa din circuitul ventiloconvectoarelor; vara vaporizatorul raceste apa din circuitul ventiloconvectoarelor asigurand climatizarea cladirii, iar condensatorul evacueaza caldura catre apa subterana.

Fig. 21. Instalatie reversibila prin schimbarea circuitelor de apa (doc. Ciat).

Instalatii de incalzire utilizand pompe de caldura sol-aer si sol-apa.

Utilizarea solului ca izvor de caldura prezinta urmatoarele avantaje:

- accesibilitatea,

- constanta temperaturii in timp, de la o adancime dependenta de zona climatica si natura terenului (fig. 22),

- temperatura destul de ridicata, chiar in sezonul rece (810 C),

- cand se foloseste ca izvor solul cu deseuri menajere, caldura degajata in timpul fermentarii acestora ridica temperatura solului cu 23 C.

Fig. 22. Variatia temperaturii solului t_SOL cu adancimea H si cu sezonul.

Dezavantajele principale ale solului ca izvor de caldura sunt:

- conductivitatea termica foarte scazuta, care conduce la suprafete mari pentru captarea caldurii,

- investitie ridicata, datorata atat suprafetelor mari ale captatoarelor cat si decopertarilor sau forajelor necesare pentru amplasarea lor in sol.

Din considerentele mentionate, aceste pompe de caldura sunt utilizate pentru puteri termice reduse sau medii, intalnite la incalzirea locuintelor individuale sau colective, asigurand integral necesarul de caldura (incalzire si preparare apa calda de consum).

Din cauza actiunii corozive a majoritatii solurilor, cat si a cantitatii mari de agent de lucru, rar este plasat in sol chiar vaporizatorul pompei de caldura. Se prefera utilizarea unui fluid intermediar (apa glicolata), care preia caldura din sol si o cedeaza agentului de lucru in vaporizator. Astfel, instalatia devine de fapt o pompa de caldura apa-aer sau apa-apa.

Modul de dispunere a tevilor de captare in sol, poate fi vertical sau orizontal.

Amplasamentul vertical, utilizat in zonele urbane, cu spatii restranse, este prezentat in figura 23-a. Tevile (sondele) sunt plasate intr-un put cu diametrul de 150 mm si cu o adancime de 1860 m. Energia termica captata este de 2030 W/m, functie de diametrul tevilor si compozitia solului.

Amplasamentul orizontal, utilizat frecvent in zonele rurale, cand se dispune de spatii mari, este prezentat in figura 23-b. Tevile, din polietilena sau polibutilena, cu diametre de 2..38 mm, imbinate prin presare la cald, sunt asezate in santuri, la o adancime de 12 m. Energia termica captata este de ..15 W/m, functie de diametrul tevilor, adancimea de pozare si caracteristicile solului.

Fig. 23. Amplasarea tevilor de captare a caldurii din sol pentru o pompa de caldura

a) montare verticala, b) montare orizontala.

In figura 24 este prezentata schema unei pompe de caldura sol-apa, utilizata pentru incalzirea prin pardoseala a unei locuinte individuale, cu suprafata locuibila de 100 m², realizata de firma Masser. Captatoarele sunt dispuse orizontal, suprapus, la o adancime cuprinsa intre 1.5 si 1.8 m, avand o lungime totala a tevilor de 1000 m (f = 30x2,5 mm). Suprafata ocupata este de 200 m² (deci dubla fata de cea a cladirii). Pompa de caldura este plasata intr-un subsol tehnic.

Apa glicolata, recirculata in vaporizatorul V cu pompa P_AG, are temperatura la sosirea din captatoare -2-5 C iarna si 36 C primavara sau toamna. Incalzirea in sol este de circa 4 C. Apa calda produsa in condensatorul C este trimisa cu 32 C in tevile montate in pardoseala radianta PR, racindu-se pana la 28 C. Atat circuitul de apa rece, cat si cel de apa calda, au prevazute vase de expansiune, inchise, cu perna de azot. Termostatul T_PC, bazat pe sondele S₁ (in aerul exterior) si S₂ (pe ducerea apei calde), comanda pornirea-oprirea compresorului K. O pompa de apa calda P_g asigura debitul necesar incalzirii de garda. Alte doua pompe P_ac, comandate de termostatele T₁ si T₂, plasate in pardoseala, asigura circulatia apei in tevile din pardoseala.

Fig. 24. Pompa de caldura sol-apa (doc. Masser).