Indicatorii energetici si economici ai pompelor de caldura

Indicatorii energetici si economici ai pompelor de caldura

Pentru stabilirea performantelor pompei de caldura precum si a ansamblului pompa de caldura - instalatie, este necesara cunoasterea indicatorilor energetici si economici ai acestor sisteme.

1. Indicatori energetici.

Indicatorii energetici necesari analizei implementarii pompelor de caldura in instalatiile de incalzire sunt: eficienta reala a pompei de caldura e_PC,R, eficienta globala a pompei de caldura e_PC,G, eficienta globala a instalatiei e_I,G, eficienta globala anuala a pompei de caldura e_PC,G,AN si eficienta globala anuala a sistemului de incalzire e_SI,G,AN

Functionarea unei pompe de caldura este caracterizata prin coeficientul de performanta COP, definit ca raportul dintre efectul util produs (energia termica furnizata, E_C) si energia consumata pentru obtinerea lui (energia de actionare, E_A). Acest indicator este denumit si eficienta a pompei de caldura, e_PC

(1)

Din bilantul energetic al pompei de cladura, se poate evidentia legatura dintre eficienta unei instalatii care lucreaza ca pompa de caldura (e_PC) sau ca instalatie frigorifica (e_IF

(2)

Cele mai rentabile sisteme sunt cele care utilizeaza simultan cu caldura produsa si efectul frigorific adiacent E_IZ, in acest caz eficienta totala este:

(3)

Cand in calcul nu se considera pierderile energetice care insotesc atat preluarea si cedarea caldurii, cele din procesele termodinamice ale fluidului de lucru cat si cele referitoare la utilizarea energiei de actionare, eficientele sunt teoretice. Daca se iau in calcul si pierderile energetice din procesele reale, eficientele devin reale.

1.1. Eficiente teoretice.

In functie de temperaturile de referinta, se deosebesc doua eficiente teoretice ale pompei de caldura:

a) eficienta teoretica a surselor, e_PC,TS.

In acest caz procesele termodinamice parcurse de fluidul de lucru sunt considerate ideale si se iau in calcul temperaturile celor doua surse de caldura: a izvorului, T_IZ si a consumatorului, T_C, obtinand:

e_PC,TS = (4)

b) eficienta teoretica a ciclului, e_PC,TC

Procesele termodinamice parcurse de fluidul de lucru sunt considerate ideale dar, apreciind pierderile datorate ireversibilitatilor externe, prin diferentele finite de temperatura dintre medii, din aparatele in care se preia de la izvor si se cedeaza consumatorului caldura, in calcul intervin temperaturile intre care se desfasoara ciclul ideal al pompei de caldura, cea din vaporizator, T_V si cea din condensator, T_Cd.

In acest caz, eficienta coincide cu cea a ciclului Carnot inversat, parcurs intre aceleasi temperaturi, e_C

e_PC,TC = e_C (5)

Cum T_Cd > T_C si T_V < T_IZ, rezulta e_PC,TC < e_PC,TS

1.2. Eficiente reale.

a) eficienta reala a ciclului, e_PC,RC

Aceasta se poate determina luand in considerare si pierderile P_j, datorate ireversibilitatilor interne, prin frecarile ce insotesc procesele reale de comprimare si de destindere, apreciate de h_ex, randamentul exergetic al ciclului termodinamic real, parcurs de pompa de caldura:

e_PC,RC e_C h_ex (6)

Fig. 1. Variatia eficientei reale a ciclului pompei de caldura cu electrocompresor e_PC,RC

in functie de temperatura de vaporizare t_V si de condensare t_Cd

In figura 1 este prezentata dependenta eficientei reale a ciclului pompei de caldura cu compresie mecanica, actionata cu motor electric, in functie de temperatura de vaporizare si de condensare. Valorile rezultate sunt mai mici cu cca 4060% decat cele corespunzatoare eficientei teoretice a ciclului.

Daca temperatura consumatorului de caldura este constanta (de exemplu, temperatura interioara a spatiului de incalzit), atunci performanta reala a pompei de caldura variaza numai cu temperatura de vaporizare (indirect cu cea a izvorului), conform curbei 3 din figura 2.

Fig. 2. Variatia diferitelor eficiente ale unei pompe de caldura aer/aer cu temperatura exterioara t_e (pentru temperatura interioara t_i = 20 C).

b) eficienta reala a pompei de caldura cu electrocompresor e_R,PCEK,

Particularizand formele de energie care intervin in cazul pompei de caldura cu electrocompresor, eficienta reala se poate defini ca:

(7)

unde: este puterea termica instantanee cedata de condensator si eventual de ventilatorul acestuia, in W;

P_K - puterea electrica absorbita de motorul compresorului, in W.

Obtinuta prin incercari termice, e_R,PCEK include atat imperfectiunile transferului caldurii (diferentele de temperatura din vaporizator si condensator), cat si pierderile termodinamice, mecanice si electrice ale compresorului, fiind frecvent indicata de constructorii de asemenea pompe de caldura. Coincide cu eficienta reala a ciclului, e_PC,RC (curba 3 din figura 2).

c) eficienta globala a pompei de caldura, e_PC,G corespunde puterii medii orare a condensatorului F_Cd,mh si puterii electrice medii orare absorbite de compresor P_{K, mh}, dar si de utilajele auxiliare P_{aux, mh} (ventilatoare, pompe, rezistente electrice pentru degivrare sau incalzire a carterului):

(8)

Daca izvorul de caldura este aerul exterior, poate aparea givrarea suprafetei vaporizatorului, diminuandu-i performantele (vezi curba 4 din figura 2).

d) eficienta globala a instalatiei, e_I,G; la sistemele de preparare centralizata a caldurii se tine seama si de pierderile din reteaua de distributie, F_P, incat la consumator ajunge numai puterea termica orara medie utila, F_C,mh,u, obtinandu-se:

(9)

Aceasta eficienta, redata de curba 5 din figura 2, caracterizeaza complet calitatea pompei de caldura.

In general, utilizatorul pompei de caldura este interesat de performanta acesteia pentru o perioada de timp (de exemplu un an), folosindu-se atunci indicatorii sezonieri:

e) eficienta globala, anuala a pompei de caldura, e_{PC,G AN}

Aceasta corespunde mediei anuale a eficientei globale e_PC,G, in timpul sezonului de incalzire:

(10)

Daca n_zk este numarul de zile de incalzire, cand temperatura exterioara este t_k, in functie de zona climatica, iar n_hk este numarul de ore pe zi, de functionare a pompei de caldura, la temperatura t_k, numarul anual de ore de functionare a pompei de caldura n_AN va fi:

(11)

unde t_e este temperatura exterioara, in perioada de incalzire, in C

t_nc- temperatura exterioara peste care nu se solicita incalzirea datorita aporturi-lor termice gratuite ale cladirii.

Cu acestea, e_{PC,G AN} se poate scrie sub forma:

(12)

in care e_PC,Gk, este eficienta globala a pompei de caldura, pentru t_e=t_k.

Nu sunt luate in consideratie nici pierderile din reteaua de distributie a caldurii si nici caldura cedata de sursa clasica (de varf).

Aceasta eficienta cunoscuta si sub denumirea de eficienta sezoniera pentru incalzire, ESI, este utilizata deobicei pentru intocmirea bilanturilor energetice ale instalatiilor echipate cu pompe de caldura.

f) eficienta globala, anuala, a instalatiei, e_I,G,AN

Este similara cu e_PC,G,AN, dar ia in consideratie si pierderile din reteaua de distributie a caldurii pana la consumator.

g) eficienta globala, anuala a sistemului de incalzire, e_SI,G,AN

Acum sunt luate in calculul atat caldura cedata de sursa de varf, F_V,m,AN, cat si puterea consumata pentru actionarea acestei instalatii alternative, P_V,m,AN, in cazul functionarii in regim bivalent:

(13)

Aceasta eficienta este denumita si coeficient de eficacitate sezoniera CES.

In cazul instalatiilor reversibile (pompa de caldura iarna si instalatie frigorifica vara), se utilizeaza o eficienta sezoniera de incalzire si racire, ESIR, care raporteaza puterea termica totala furnizata de instalatie, functionand ca pompa de caldura sau ca instalatie de racire, timp de un an, la puterea electrica totala, consumata in aceeasi perioada.

Fata de cele mentionate anterior, trebuie subliniat ca pompele de caldura consuma o energie de actionare calitativ diferita, functie de tipul instalatiei. Astfel, instalatia cu compresie mecanica poate fi actionata cu energie electrica sau cu combustibil, in timp ce instalatia cu absorbtie sau ejectie este actionata cu energie termica. Daca se tine seama si de randamentele mult diferite de producere chiar a aceleasi forme de energie (de exemplu energia electrica poate fi produsa cu h in centralele hidroelectrice, cu h = 0,380,41 in centralele termoelectrice sau cu h = 0,310,33 in centralele atomoelectrice), se poate concluziona ca raportarea puterii termice livrate consumatorului la puterea de actionare a instalatiei nu serveste decat la compararea performantelor unor pompe de caldura de acelasi tip.

Pentru a putea compara corect performantele unor pompe de caldura de tipuri diferite, trebuie uniformizata energia de actionare. In acest sens, se raporteaza puterea termica utila livrata anual, F_u,AN, la consumul anual de combustibil echivalent, B_CE,AN, necesar producerii puterii de actionare, obtinandu-se gradul de utilizare al combustibilului, j_AN

j_AN (kW/kg) (14)

2 Indicatori economici.

De regula pompa de caldura realizeaza o economie de combustibil DE (cheltu-ieli de exploatare) fata de instalatia clasica (centrala termica, incalzire electrica). Deci, la acelasi consum de combustibil, pompa de caldura livreaza mai multa caldura consumatorului, prin aportul gratuit al caldurii preluata de la izvorul de caldura. Economia de combustibil este dependenta de tipul pompei de caldura si va fi prezentata detaliat in capitolul urmator.

Pe de alta parte, pompele de caldura implica o investitie suplimentara I_PC fata de cea a instalatiei clasice I_CT, care produce aceiasi cantitate de caldura.

Oportunitatea implementarii unei pompe de caldura intr-un sistem de incalzire rezulta pe baza atat a criteriilor energetice cat si a celor economice. Astfel, se poate determina numarul de ani in care se recupereaza sporul de investitie, DI = I_PC-I_CT (lei), pe seama economiei de exploatare realizata prin consumul mai scazut de combustibil, DE = E_CT-E_PC (lei/an):

n = (ani) (15)

Se apreciaza ca un numar de 8-10 ani este acceptabil, dar aceasta limita variaza in timp, functie de politica energetica a tarii si de cerintele ecologice.

Micsorarea perioadei de amortizare a investitiei suplimentare se poate realiza prin prelungirea functionarii pompei de caldura, asigurand o functionare bivalenta, de la 3000 ore/an la 4000 ore/an si chiar la 6-7000 ore/an prin utilizarea alternativa a instalatiei, iarna ca pompa de caldura, vara ca instalatie frigorifica.