Pompa de caldura, functionare, variante, utilizari

Pompa de caldura, functionare, variante, utilizari.

Pompa de caldura este o instalatie termica care parcurge un ciclu termodinamic inversat (consuma energie de actionare si produce un efect termic).

Instalatia serveste la transferul caldurii de la un potential termic coborat, de regula neutilizabil, aflat la o temperatura T_IZ apropiata de cea a mediului ambiant T_A, la un potential termic mai ridicat T_C, la care caldura poate fi utilizata.

Sursa rece, la nivelul careia pompa de caldura preia caldura, reprezinta izvorul pompei de caldura. Sursa calda, la nivelul careia pompa de caldura cedeaza caldura este cuplata la un consummator de caldura.

Ridicarea energetica a caldurii de la nivelul izvorului la cel al consumatorului se realizeaza cu un consum de energie, energia de actionare E_A.

Denumirea de pompa de caldura este preluata de la pompa hidraulica, prin similitudinea efectului realizat: pomparea unui lichid de la o inaltime la alta este inlocuita aici de "pomparea caldurii" de la o temperatura la alta.

Pompa de caldura este in acelasi timp si o instalatie care recupereaza caldura, ea putand valorifica caldura pierduta, aflata la un potential termic scazut (deseu).

O instalatie similara este transformatorul de caldura. Si aceasta foloseste energie de actionare si produce un efect termic, dar se deosebeste de pompa de caldura prin potentialul termic al energiei de actionare si al energiei termice produse.

In figura 1 se prezinta schema pompei de caldura (a) si a transformatorului de caldura (b).

Fig. 1. Schema de functionare a pompei de caldura (a) si a transformatorului de caldura (b).

Se poate vedea ca pompa de caldura utilizeaza energie de actionare de potential termic superior energiei cedate consumatorului de caldura, dar cantitatea energiei cedate este superioara celei utilizate.

Transformatorul de caldura produce energie termica la doua nivele de temperatura, utilizand energie de actionare de potential termic intermediar. Cantitatea de energie cedata este insa mai redusa decat in cazul pompei de caldura.

Bilantul energetic corespunzator celor doua instalatii este:

pentru pompa de caldura:

E_IZ + E_A = E_C (1)

pentru transformatorul de caldura:

E_Cm + E_CM = E_A (2)

unde: E_IZ reprezinta energia preluata de la izvorul de caldura, la temperatura T_IZ;

E_C este energia termica cedata consumatorului de caldura, la temperatura T_C, care poate fi de potential termic minim (E_Cm) sau maxim (E_CM);

E_A este energia de actionare a instalatiei.

Pompa de caldura a fost dezvoltata din instalatia frigorifica. Astfel, orice instalatie frigorifica poate fi transformata intr-o pompa de caldura. Constructiv si functional cele doua instalatii sunt identice. Pompa de caldura se deosebeste insa de instalatia frigorifica prin:

scop (pompa de caldura produce caldura; instalatia frigorifica produce frig);

plasarea efectului util (cedarea caldurii in pompa de caldura este realizata in alte utilaje decat cele in care se realizeaza frigul in instalatia frigorifica);

desfasurarea ciclului frigorific (la pompa de caldura acesta este plasat deasupra temperaturii mediului ambiant, T_A, in timp ce la instalatia frigorifica ciclul termodinamic este plasat sub temperatura mediului ambiant T_A), ca in figura

Fig. Comparatie intre pompa de caldura si instalatia frigorifica.

Orice pompa de caldura preia deci caldura de la un izvor de caldura si cu ajutorul unei energii de actionare ii ridica potentialul termic si o cedeaza unui consummator de caldura.

a)     Izvorul de caldura

Sursa de la care pompa de caldura preia energia termica de potential scazut, uneori chiar gratis, poate fi:

- un gaz, denumit generic aer: aer atmosferic (cu avantajul acesibilitatii si dezavantajul variatiei diurne si sezoniere a temperaturii, deci de scadere a acesteia chiar cand consumatorul solicita mai multa caldura), aer recirculat (evacuat dintr-o incinta incalzita, deci cu temperatura mai ridicata si aproape constanta), gaze tehnologice (temperatura fiind constanta si mult mai ridicata decat a mediului ambiant). In cazul gazelor exista si dezavantajul important datorat transferului scazut de caldura (coeficientul de transfer convectiv α_CV = 8-15 W/m²K la curgerea naturala si 30.50 W/m²K la curgerea fortata), incat se impun suprafete mari ale schimbatoarelor de caldura. Realizarea unor schimbatoare cu suprafete extinse (tevi cu aripioare) si utilizarea unor promotori de turbulenta rezolva partial aceasta problema, totusi utilizarea gazelor ca izvor de caldura va fi asociata unor instalatii de putere termica scazuta.

- un lichid, denumit generic apa: apa de suprafata (rau, lac, mare), apa subterana (freatica, geotermala), apa calda evacuata (menajera, recirculata la turnuri de racire, tehnologica). Transferul de caldura mult mai bun la lichide, variatia mai redusa a temperaturii si potentialul termic mai ridicat fac ca acest izvor de caldura sa fie utilizat la instalatiile de mare putere termica.

- solul: pamantul (cu avantajul acesibilitatii si al constantei temperaturii de la o adancime de peste 4 m, dar si cu dezavantajul transferului scazut de caldura). In cazul utilizarii deseurilor menajere apare avantajul datorat cresterii temperaturii cu 5-10˚C prin caldura de fermentare care se dezvolta, dar si dezavantajul introdus de agresivitatea acestor deseuri care impun realizarea suprafetelor de preluare a caldurii din materiale inoxidabile.

b) Consumatorul de caldura.

Pompa de caldura cedeaza energie termica la o temperatura cat mai ridicata, in functie de solicitarea consumatorului de caldura. Este important de stiut insa ca energia de actionare a pompei de caldura creste cu cat creste si ecartul de caldura pe care se "pompeaza caldura", deci este recomandat ca nivelul temperaturii la care se cedeaza caldura sa fie cat mai redus. Aceasta caldura poate fi utilizata la:

- incalzirea unor spatii; in concordanta cu recomandarea mentionata mai sus, incalzirea cu pompa de caldura va fi asociata unor sisteme de incalzire care necesita o temperatura scazuta: prin radiatie (panouri radiante, incalzire prin pardoseala), cu aer cald sau prin sisteme convective cu circulatie fortata a aerului (ventiloconvectoare);

- incalzirea apei (piscine, apa de consum sanitar, menajer sau tehnologic);

- realizarea unor procese tehnologice (uscare, distilare solutii, concentrare saruri).

Evident ca necesarul de incalzire al unei cladiri depinde de zona climatica in care este amplasata aceasta. In conditiile tarii noastre, acest necesar de caldura evolueaza de la valori minime in sezoanele de tranzitie (primavara, toamna) la valori maxime in perioadele geroase (curba 1 din figura 3), numarul anual de ore cu temperatura exterioara minima fiind de 10.15% din cel total de incalzire. Din acest motiv nu este recomandat ca pompa de caldura sa fie proiectata pentru acoperirea integrala a varfului de consum, situatie in care va functiona rar la capacitatea sa nominala. Pentru reducerea investitiei globale a sistemului de incalzire, pompa de caldura va fi dimensionata (aleasa) astfel incat sa acopere doar 70.75% din necesarul maxim de caldura (situatie cand va functiona si cu performante ridicate o perioada mai mare de timp), restul de caldura necesara incalzirii cladirii fiind produsa cu o sursa clasica (rezistente electrice la puteri termice reduse sau un cazan termic la puteri termice mai mari). In acest caz, functionarea instalatiei de producere a caldurii este bivalenta: pompa de caldura fiind cuplata cu sursa aditionala de varf.

In cazul unei pompe de caldura cu izvor de caldura aerul exterior, caldura cedata scade pe masura ce temperatura exterioara scade (curba 2 din figura 3). Se disting, astfel, trei situatii de functionare:

Fig. 3. Asigurarea necesarului de caldura in functie de temperatura exterioara.

LI-limita de incalzire, PET-punct de echilibru termic, PO-punct de oprire a incalzirii,

1-necesarul de caldura, 2-puterea termica a pompei de caldura.

- cand temperatura exterioara coboara sub temperatura limita de incalzire (t_LI), necesarul de caldura este asigurat integral de pompa de caldura, aceasta producand chiar mai mult dacat pierderile de caldura ale cladirii, pana la temperatura punctului de echilibru termic, t_PET;

- cand temperatura exterioara scade sub t_PET, caz in care aportul gratuit de caldura de la aerul exterior (izvorul de caldura) se diminueaza, pompa de caldura asigura doar partial necesarul de incalzire, restul fiind suportat de sursa clasica, de varf;

- cand temperatura izvorului (t_e) atinge punctul de oprire t_PO, sub care pompa de caldura nu mai functioneaza eficient, aceasta se deconecteaza, necesarul de caldura fiind acoperit integral de sursa clasica.

Aceste regimuri de functionare depind de zona climatica in care este amplasata cladirea. Pentru zonele temperate, se apreciaza ca pompa de caldura acopera cam 2/3 din necesarul anual de incalzire.

In perioada rece, cand retelele electrice sunt foarte solicitate, comutarea pe o sursa clasica, bazata pe o centrala termica (cu combustibil solid, lichid sau gazos), descarca aceste retelele de consumul pentru alimentarea pompei de caldura, contribind la exploatarea mai rationala a intregului sistem energetic.

Este recomandat, ca de cate ori este posibil, consumatorului de caldura sa i se asocieze si un consumator de frig, caz in care, cu aceiasi instalatie se vor realiza ambele efecte: producerea de caldura si producerea de frig. Acest lucru se poate realiza fie cu o instalatie reversibila (functionand ca pompa de caldura cand se solicita caldura si ca instalatie frigorifica cand se solicita frig), fie cu o instalatie cu dublu efect (care produce simultan si caldura si frig). Dintre aceste procese cuplate mentionam: climatizarea aerului (iarna se solicita incalzirea aerului iar vara racirea lui), alimentarea cu frig a unui patinoar si cu caldura a unei piscine plasata in vecinatate, realizarea unor procese tehnologice care decurg ca in figura 4.

Astfel, pasteurizarea laptelui necesita intr-o prima faza caldura pentru incalzirea laptelui proaspat, apoi caldura pentru fierberea si concentrarea sa dar si frig

pentru condensarea vaporilor de apa rezultati in procesul de fierbere a laptelui si in

final frig pentru racirea laptelui fiert.

Fig. 4. Instalatie frigorifica si pompa de caldura utilizata in realizarea racirii si a incalzirii necesare pasteurizarii laptelui.

Extragand caldura din procesele de condensare a vaporilor de apa si de racire a laptelui (acesta este izvorul de caldura) si cedand-o in procesele de incalzire si fierbere a laptelui (acestea reprezinta consumatorul de caldura), cu o singura instalatie care este si instalatie frigorifica si pompa de caldura se pot realiza ambele efecte termice solicitate.

c) Energia de actionare.

Similar instalatiilor frigorifice din care deriva, pompele de caldura pot utiliza pentru antrenare diverse forme de energie:

- electrica (tipul instalatiei fiind cu electrocompresor); printre avantaje se retin acesibilitatea si simplitatea actionarii, dezavantajul principal fiind legat de costul mai ridicat datorat randamentului scazut de producere a energiei electrice;

- mecanica, instalatia utilizand un compresor mecanic; in acest caz, producerea energiei de actionare se realizeaza cu turbine detentoare, cu randamente mai mari, dar necesita prezenta acestei turbine in vecinatatea compresorului;

- termica, instalatia fiind de tip cu compresie mecanica, cu absorbtie sau cu ejectie. In acest caz se solicita fie un combustibil care alimenteaza motorul termic al instalatiei cu compresie mecanica cu motor cu ardere interna, sau fierbatorul compresorului termochimic, al instalatiei cu absorbtie cu ardere directa, fie un agent cald (abur, condens, apa calda, gaze calde) care alimenteaza fierbatorul instalatiei cu absorbtie sau ejectorul instalatiei cu ejectie. Combustibilii lichizi sau solizi necesita costuri suplimentare asociate transportului, depozitarii si manipularii.

Energia termica prezinta avantajele unor randamente ridicate de producere si a unor recuperari de caldura (deci a unor costuri mai reduse), dar este asociata unor cantitati mai mari solicitate pentru realizarea aceluiasi efect termic de catre pompa de caldura. Diminuarea acestui dezavantaj se poate realiza atunci cand exista posibilitatea utilizarii unei energii termice deseu (apa calda tehnologica, condens sau abur de joasa presiune rezultate din utilizarea aburului in alte scopuri, gaze de ardere) sau a unei energii termice regenerabile (solara, geotermala, biogaz).

Alegerea tipului de energie de actionare este legata si de disponibilitatea acesteia. In plus, trebuie evaluat si impactul asupra mediului datorat producerii energiei de actionare, o energie curata, chiar mai scumpa fiind de preferat.

Deasemenea, sistemele de producere simultana de energie electrica (mecanica) si termica (cogenerare de mare, medie si mica putere) pot conduce atat la cresterea randamentelor de producere cat si la reducerea poluarii atmosferei.

Dupa cuplarea tipului de izvor de caldura la tipul de consumator de caldura vom intalni urmatoarele variante de pompe de caldura:

aer - aer;

aer - apa;

apa - aer;

apa - apa;

sol - aer;

sol - apa.

Dupa tipul de instalatie functionala si dupa cel al energiei de actionare a acesteia, pompele de caldura pot fi:

cu comprimare mecanica de vapori, cu motor electric;

cu comprimare mecanica de vapori, cu motor termic;

cu absorbtie (cu compresor termochimic);

cu ejectie de abur.

In figura 5 este prezentata schema unei pompe de caldura cu electro-compresor, care, prin simplitatea actionarii si compactitate va fi cea mai des intalnita.

Fig. 5. Schema de functionare a pompei de caldura cu electrocompresor.

La implementarea unei pompe de caldura intr-un sistem de incalzire trebuie analizate suplimentar si o serie de implicatii energetice, economice sau diverse.

Criterii energetice:

simultaneitatea si constanta in timp a parametrilor izvorului de caldura si ai consumatorului de caldura (temperatura, debit);

performantele instalatiei in diferite conditii de lucru (energie termica produsa, consum de energie de actionare, temperatura la care este preluata si produsa caldura);

calitatea energiei de actionare, accesul la resursele energetice din imediata vecinatate;

energia suplimentara (la functionarea bivalenta).

Criterii economice:

investitia corespunzatoare;

intretinerea necesara si costul exploatarii;

durata de amortizare.

Criterii diverse:

distanta relativa intre izvorul de caldura si consumatorul de caldura;

posibilitatea recuperarii caldurii din cladire (atat pentru izvorul de caldura cat si pentru actionarea instalatiei);

modul de utilizare a caldurii la consumator;

agentul termic utilizat;

posibilitatea utilizarii simultane (sau alternative) a caldurii produse si a efectului frigorific adiacent;

fiabilitatea instalatiei;

posibilitatile de reglare a functionarii in raport cu necesarul de caldura;

nivelul de zgomot;

gabaritul, spatiul de montaj si de exploatare necesar.

Cu cat sunt luate in calcul mai multe influente din cele mentionate, analiza eficacitatii unui sistem de incalzire cu o pompa de caldura este mai corecta.