Studiu de caz: incalzirea unei locuinte cu o pompa de caldura

STUDIU DE CAZ: incalzirea unei locuinte cu o pompa de caldura

S-a solicitat realizarea incalzirii unei locuinte din zona rurala (satul Frumusani din judetul Calarasi) cu o pompa de caldura utilizand ca izvor de caldura apa freatica.

1. Ipoteze de calcul.

Cladirea cu suprafata utila de 240 m² (subsol, parter, etaj si pod) era incalzita din anul 1993 cu radiatoare de la o centrala termica cu motorina (nu exista gaze in zona).

Calculul necesarului de caldura al cladirii s-a facut conform STAS 1907/1996 1. Temperaturile interioare au fost considerate conform dorintei beneficiarului:

C pentru casa scarii si spatiile anexe;

C pentru camerele de zi, dormitoare;

C pentru bai.

Proprietatile termice ale materialelor de constructie, care delimiteaza spatiile incalzite, sunt: caramida 50 cm pentru peretii exteriori; beton 10 cm si un strat izolator de 15 cm polistiren expandat pentru plafonul etajului (catre pod), ferestre duble din stejar. Peretii exteriori urmeaza sa fie izolati la exterior cu un strat de 10 cm de polistiren expandat.

Calculul necesarului de incalzire a fost realizat atat pentru situatia existenta (fara izolarea peretilor exteriori) cat si pentru situatia viitoare, ameliorata (dupa izolarea peretilor exteriori cu 10 cm polistiren expandat), pentru mai multe temperaturi exterioare, pentru a se putea alege eficient sursa de caldura. Astfel, a rezultat urmatorul necesar de caldura pentru incalzire:

Situatia existenta: Situatia ameliorata:

Q = 19 kW pentru t_e = + 5 C; Q = 13 kW pentru t_e = + 5 C;

Q = 20.2 kW pentru t_e = 0 C; Q = 15 kW pentru t_e = 0 C;

Q = 21.6 kW pentru t_e = - 5 C; Q = 17 kW pentru t_e = - 5 C;

Q = 23 kW pentru t_e = - 10 C; Q = 18 kW pentru t_e = - 10 C;

Q = 24,3 kW pentru t_e = - 15 C; Q = 19,05 kW pentru t_e = - 15 C;

Q = 25 kW pentru t_e = - 20 C; Q = 21,1 kW pentru t_e = - 20 C.

Pentru prepararea apei calda de consum se apreciaza un necesar termic Q_ACC = 3 kW (3 persoane, 3 bai si o bucatarie).

2. Solutia propusa.

Incalzirea cladirii se realizeaza astfel:

incalzirea spatiilor locuite (camere de zi, dormitoare, casa scarii, cava) se va face cu ventiloconvectoare de pardoseala;

incalzirea bailor si spatiilor anexe se va face cu corpuri statice;

temperatura apei calde la corpurile statice si ventiloconvectoare: 50/40⁰C;

pentru alimentarea ventiloconvectoarelor si a corpurilor statice se utilizeaza sisteme distribuitor/colector;

reteaua de distributie pentru ventiloconvectoare si corpuri statice, din pexal, se amplaseaza la plafon subsol, parter si etaj.

Necesarul de caldura al cladirii se va asigura de o pompa de caldura PC Thermia Eko 180 si un boiler B cu capacitatea de 300l, conform schemei prezentate in figura 1.

Pompa de caldura este de tip cu compresie mecanica (1 compresor scroll K) functionand cu freon ecologic R404A. Izvorul de caldura il constituie panza freatica cu temperatura de min 10 C. Apa din putul de captare P₁ este pompata cu pompa submersibila P_AR1 intr-un schimbator de caldura cu placi SCP unde se raceste de la

C la 7 C si apoi este reintrodusa in panza freatica prin al doilea put P₂. Intre schimbatorul de caldura cu placi SCP si vaporizatorul V al pompei de caldura este recirculata o solutie de apa si etilenglicol cu temperatura de 8 C/5 C de pompa P_AR2.

Pompa de caldura prepara un debit de 0.5 l/s apa calda pe ecartul 40 C/50 C prin intermediul a doua schimbatoare de caldura: un subracitor de freon SR si un condensator de freon C, circulatia fiind realizata de pompa P_AC1. Apa calda preparata de pompa de caldura alimenteaza boilerul B si distribuitorul. De la distribuitor sunt alimentate ventiloconvectoarele, cu pompa P_AC2 si corpurile statice, cu pompa P_AC3. Apa calda retur din ventiloconvectoare si corpuri statice este readusa in pompa de caldura prin intermediul colectorului. Apa potabila preluata cu pompa submersibila P_AR3 din putul P₃ este preparata ca apa calda de consum pe ecartul maxim 10 C/45 C cu prioritate (un ventil cu 3 cai asigura alimentarea boilerului B cu tot debitul de apa calda din circuitul SR, C). Incalzirea finala a apei calde de consum, iesite din boiler, se face in desupraincalzitorul de freon DS (pana la temperatura de 5055 C).

In conditii nominale de functionare (temperatura intrare solutie rece in vaporizator t_V1 = 0 C si temperatura iesire apa calda din condensator t_AC1 = 50 C) pompa de caldura asigura o putere termica Φ_C = 16 kW. In conditiile de functionare cu t_V1 = 8 C si t_AC1 = 50 C puterea termica cedata de pompa de caldura este Φ_C = 21 kW. Se constata ca aceasta putere termica acopera partial necesarul de incalzire al cladirii, si anume doar pentru temperturi exterioare mai mari de -5sC, in conditiile existente si aproape integral (chiar pentru temperturi exterioare de -20sC), in conditiile cladirii ameliorate (cu peretii exteriori izolati).

Pentru acoperirea restului de necesar de caldura (incalzire si preparare apa calda de consum) pompa de caldura este echipata cu 3 rezistente electrice de cate 3 kW, care intra in functiune automat, functie de temperatura interioara setata.

Pompa de caldura PC este realizata monobloc: intr-o carcasa fiind incluse compresorul K, vaporizatorul V, subracitorul SR, condensatorul C, desupraincalzi-torul DS, rezistentele electrice, pompa de solutie rece P_AR2, pompa de apa calda P_AC1, tabloul electric si de automatizare. Amplasarea pompei de caldura se face in centrala termica existenta la subsolul cladirii. Tot in centrala termica se va amplasa si schimbatorul de caldura cu placi SCP, boilerul B, distribuitorul si colectorul de apa calda si pompele de circulatie P_AC2, P_AC3.

Pompele de apa rece P_AR1 si P_AR3 se amplaseaza in putul P₁, in panza freatica respectiv in putul P₃, in panza de apa potabila.

Pompa de caldura are urmatoarele posibilitati de reglare:

- reglarea puterii termice livrate, prin oprirea pornirea compresorului si a intro-ducerii in functiune a rezistentelor electrice in functie de temperatura exterioara si de temperatura interioara a unui spatiu incalzit (exista doua sonde care sesiseaza tempe-ratura exterioara si pe cea din interiorul cavei, camera alaturata centralei termice, care sunt conduse la panoul de automatizare al pompei de caldura);

- pompa de apa freatica P_AR1 este pornita odata cu pompa de apa glicolata P_AR2 cu 30 sec. inainte de pornirea compresorului;

- pompele de apa calda P_AC2 si P_AC3 sunt actionate odata cu cea din componenta pompei de caldura, P_AC1.

Pentru reglarea debitelor din reteaua de distributie a apei calde din circuitul de incalzire, sunt prevazute urmatoarele masuri:

un prim reglaj al debitelor cu care sunt alimentate unitatile terminale (ventiloconvectoare sau radiatoare) este realizat prin reducerea progresiva a diametrelor conductelor de alimentare;

un reglaj de baza este realizat prin prevederea de vane de reglaj a debitului pentru fiecare coloana;

un reglaj final la unitatile terminale este realizat prin robinetele termostatate (la radiatoare) si prin termostatele de ambianta setate la temperatura dorita in fiecare incapere (pentru ventiloconvectoare).

Fig. 1. Schema legaturilor pompei de caldura Thermia Eko 180 la instalatia de incalzire.

3. Analiza economica.

Comparand aceasta solutie de realizare a incalzirii locuintei prezentate cu alte variante posibile (cazan cu GPL, cazan cu motorina si cazan cu gaze) rezulta o investitie superioara pentru pompa de caldura dar si o economie la cheltuielile de exploatare, care face posibila recuperarea sporului de investitie.

In tabelele 1 si 2 sunt prezentate investitiile necesare si cheltuielile de exploatare pe o perioada de 10 ani in variantele considerate.

Tabel 1. Investitia pentru pompa de caldura si diferite cazane termice.

Tabel 2. Cheltuielile de exploatare pentru pompa de caldura si diferitele cazane termice.

* s-a considerat ca functionarea anuala a rezistentelor electrice este de 10% din perioada normala de functionare, deci la cele 1 700 ore/an se adauga 170 ore/an.

Rezulta astfel perioada de recuperare a investitiei suplimentare pentru pompa de caldura, comparativ cu cazanele termice.

Fata de cazanul cu GPL:

(1)

Fata de cazanul cu motorina:

Fata de cazanul cu gaz natural:

Bibliografie

1. H.L von Cube, F. Steimle-Warmepumpen, Grundlagen und praxis, VDI-Verlag GmbH, Dusseldorf, 1978;

2. J.Bernier- La pompe de chaleur, mode d'emploi, tome I, P.Y.C. Edition, 1979;

3. F.Chiriac- Instalatii frigorifice, E.D.P. Bucuresti, 1981;

4. MEE-ICCE, ICEMENERG Bucuresti- Utilizarea pompelor de caldura, Sinteza documentara privind tehnologia pompei de caldura si modul actual de aplicare, 1981;

5. M. Ilina, C.Bandrabur s.a.- Energii neconventionale utilizate in instalatiile din constructii, E.T. Bucuresti, 1987;

6. Dr.Hera s.a.- Manualul de instalatii, vol. Instalatii de incalzire, cap. 4.6. Incalzirea cu pompe de caldura, pg. 161-173, ed. Artecno Bucuresti srl, ISBN 973-85936-1-1, 2002;

7. Dr. Hera- Instalatii frigorifice, vol 1 Agenti frigorifici, ed. Matrix Rom Bucuresti, ISBN 973-685-876-X, 2005;

***-Corporation des maitres mcaniciens et tuyauterie du Qubec- Systme de chauffage et de climatisation air puls, Montral-Qubec, 1991.

9. *** Cataloage ale firmelor Airwell, Carrier, Ciat, Daikin, De Longhi, Linde, Sampo, Thermia, Trane, Wesper, York.