Principii de baza ale pompele de caldura

Principii de baza ale pompele de caldura

Pompa de caldura geotermala este o tehnologie de energie regenerabila foarte eficienta, care este folosita atat pentru cladiri de locuit cat si pentru cele comerciale. Pompele de caldura geotermale sunt folosite pentru incalzirea sau racirea spatiului, precum si pentru incalzirea apei. Sistemul contine trei componente principale:

• Sistemul de conectare de suprafata;
• Sistemul de pompare de caldura geotermal;
• Sistemul de distributie a caldurii.

Pompele de caldura geotermale se pot folosi in zone fara ape freatice sau cu aparitii intamplatoare si neglijabile ale acestora. Adancimile de sonda tipice sunt cuprinse intre 100 si 200 m. Cand este necesara o capacitate termica mare, forarea se realizeaza inclinat, pentru a obtine un volum mai mare de roca exploatata. Acest tip de pompa de caldura este de obicei conectat prin intermediul unor conducte de plastic, care extrag caldura din roca. Unele sisteme destinate cladirilor comerciale utilizeaza roca pentru acumularea caldurii si frigului. Datorita costului relativ ridicat al forarii, aceasta solutie este rareori atractiva din punct de vedere economic pentru uz casnic.

O pompa de caldura functioneaza ca un racitor, unde fluidul de lucru este vehiculat intr-un circuit inchis. Fluidul de lucru preia caldura din interiorul racitorului si o elimina in mediul inconjurator. In pompa fluidul de lucru extrage caldura de la sursa prin evaporare si o cedeaza ulterior prin condensare. Functionarea pompei implica o sursa de energie externa, un compresor antrenat de un motor electric, dar se pot folosi si alte metode precum absorbtia chimica, compresia gazului etc.   

Raportul intre energia furnizata si cea consumata pentru functionare, este o masura de baza a eficientei pompei de caldura, care este un parametru foarte important in economicitatea pompei. Acest raport este cunoscut drept "coeficient de performanta" COP. Acest indicator este foarte atractiv pentru surse de caldura cu temperaturi intre 20 si 40 C. Spre exemplu daca resursa geotermala are 30 C si este racita la 20 C, iar apa pentru incalzirea spatiului are 55 C, atunci COP poate fi in jur de 4.

Aceasta inseamna ca energia obtinuta pentru incalzirea spatiului este de 4 ori mai mare ca cea consumata pentru antrenarea compresorului. Limitarile tipice de performanta ale pompelor de caldura geotermale sunt:

temperatura sursei geotermale in gama 18 C - 65 C;

debitul de apa geotermala intre 50 si 300 m³/h;

temperatura apei de incalzire de la 50 C la 90 C;

capacitatea de incalzire de la 0.5 la 30 MW.

Teoria termodinamica de baza a ciclurilor pompelor de caldura

Caldura livrata de o pompa de caldura este suma dintre caldura extrasa de la sursa de caldura care este furnizata in sistem si energia necesara conducerii sistemului. Ecuatia bilantului energetic a pompei de caldura este:

Q_S + W = Q_H

unde Q_S este caldura extrasa de la sursa exterioara, W este energia motrice necesara procesului, si Q_H este caldura utilizabila din sistem. Majoritatea pompelor de caldura aflate in prezent in functiune se bazeaza fie pe o compresie de vapori (de ex. energia motrice W este energia mecanica necesara antrenarii compesorului), sau pe un ciclu de absorbtie (energia motrice W este energia termica necesara procesului de fierbere a solutiei bogate).

Aceste doua cicluri de exploatare sunt discutate in urmatoarele sectiuni. Teoretic, procesul ce caracterizeaza functionarea unei pompe de caldura poate fi realizat prin diverse cicluri si procese termodinamice, inclusiv ciclurile Stirling si Vuilleumier, cicluri cu o singura faza (ex. cu aer, CO₂ sau gaze nobile), sisteme cu ejectie a aburului, sisteme hibride (mai ales cele ce combina compresia vaporilor si ciclurile de absorbtie), procese electromagnetice si acustice. Unele dintre acestea au patruns pe piata si au atins maturitatea tehnica, putand deveni semnificative ca aplicatii practice viitoare.

Pompe de caldura cu compresie mecanica de vapori

Marea majoritate a pompelor de caldura functioneaza pe principiul ciclului Carnot de compresie a vaporilor. Componentele principale ale unui asemenea sistem sunt: compresor, ventilul de laminare (vana de expansiune) si doua schimbatoare de caldura - vaporizator si condensator. Componentele sunt conectate intre ele si formeaza un circuit inchis, dupa cum este ilustrat in figura 8. Un lichid volatil, fluidul de lucru sau agentul frigorific circula prin cele patru componente.

Fig. 8 Ciclu inchis, pompa de caldura cu compresie mecanica de vapori si motor electric.

In vaporizator, temperatura fluidului de lucru lichid este pastrata la o valoare mai mica decat temperatura sursei de caldura, determinand transferul caldurii de la sursa catre lichid, iar fluidul de lucru se evapora. Vaporii produsi in vaporizator sunt comprimati in compresor, la nivele de presiune si temperatura mai ridicate. Vaporii supraincalziti intra apoi in condensator, unde condenseaza si degaja caldura utila. In final, fluidul de lucru de presiune inalta se destinde in ventilul de laminare pana la presiunea si temperatura vaporizatorului. Fluidul de lucru este readus astfel la stadiul initial si se reia ciclul de la nivelul vaporizatorului.

Compresorul este antrenat de un motor electric sau, uneori de un motor cu ardere interna. Astfel putem intalni urmatoarele situatii:

un motor electric antreneaza compresorul (vezi figura 8) cu pierderi foarte scazute de energie. Eficienta energetica generala a pompei de caldura depinde puternic de eficienta cu care este produsa energia electrica si de randamantul mecanic al compresorului;

compresorul este antrenat de un motor diesel sau cu gaz (vezi figura 9), caldura continuta in apa de racire si gazele evacuate fiind utilizata suplimentar pentru condensator.

Fig. 9 Ciclu inchis, pompa de caldura cu compresia aburului si motor diesel sau cu gaz.

Pompe de caldura cu absorbtie

Pompele de caldura cu absorbtie consuma de aceasta data energie termica din exterior, procesul de compresie mecanica a vaporilor fiind inlocuit de un proces de absorbtie, iar fluidul de lucru este de aceasta data un amestec binar. Pompele de caldura cu absorbtie pentru conditionarea spatiului sunt de obicei alimentate cu gaz, in timp ce instalatiile industriale sunt puse in functiune de abur de inalta presiune sau caldura reziduala. Sistemele de absorbtie folosesc capacitatea lichidelor sau sarurilor de a absorbi vaporii din fluidul de lucru (agentul frigorific). Cele mai utilizate amestecuri binare pentru sistemele de absorbtie sunt:   

apa (fluid de lucru) si bromura de litiu (absorbant) (vezi figura 10);

amoniac (fluid de lucru) si apa (absorbant).

In sistemele cu absorbtie, compresia lichidului de lucru este realizata pe cale termica intr-un circuit separat, alcatuit din absorbitor, o pompa ce asigura circulatia solutiei, un generator de vapori si un ventil de laminare (Figura 10).

Agentul de lucru, apa, este pulverizata in vaporizator peste fascicolul de tevi prin care circula apa fierbinte provenita de la sursa geotermala. Datorita vidului inaintat, 10-15 mm Hg, din corpul vaporizatorului, agentul de lucru se vaporizeaza preluand caldura de la resursa geotermala. Vaporii produsi sunt absorbiti, in absorbitor, de solutia Br-Li care se dilueaza. In urma acestui proces, caldura de absorbtie este preluata de catre agentul secundar care se preincalzeste in prima treapta. Solutia diluata este trimisa de catre o pompa imersata, in sistemul fierbator, unde se concentreaza prin fierbere cu ajutorul caldurii preluate de la aburul de joasa presiune (1,5 - 2 bar). Vaporii de apa produsi sunt trimisi la condensator, unde cedeaza caldura latenta de condensare agentului secundar, care se incalzeste in treapta a II-a pana la temperatura necesara consumatorului de caldura. Solutia de Br-Li concentrata este readusa in absorbitor prin cadere libera, reluandu-se procesul de absorbtie.

Agentul de lucru condensat este trimis la randul sau spre vaporizator prin intermediulunui ventil de laminare care ii reduce presiunea pana la nivelul din vaporizator.

Fig. 10 Schema termica de principiu a pompei de caldura cu absorbtie.

Impactul asupra mediului

Energia geotermala reprezinta o sursa sigura si curata de energie.

Emisii gazoase: se constata o emisie de CO₂ si H₂S, dar in cantitati mult mai mici decat cele intalnite in cazul centralelor electrice pe combustibili fosili (aprox. 5 %).

Emisii lichide: In apele geotermale pot fi dizolvate o serie de substante (saruri, arsenic, mercur) care daca ar putea cauza poluarea mediului inconjurator. Aceasta problema este eliminata in momentul in care apa este reinjectata in rezervorul geothermal.