IMPLEMENTAREA POMPELOR DE CALDURA IN INSTALATIILE DE INCALZIRE SI DE CLIMATIZARE A LOCUINTELOR. Prof. dr. ing. Dragos Hera
CUPRINS
1. Necesitatea Necesitatea utilizarii pompelor pompelor de caldura caldura in cladiri. 2. Pompa de caldura, functionare, variante, utilizari. 3. Indicatori energetici si economici. 4. Analiza energetica a producerii caldurii. 5. Incalzirea cu pompe de caldura: - aer-aer; - aer-apa; - apa-aer; - apa-apa; - sol-aer; - sol-apa. 6. Sisteme de producere simultana a caldurii si frigului. 7. Dimensionarea (alegerea) unei pompe de caldura. 8. Studiu de caz: Incalzirea unei locuinte cu o pompa de caldura.
1. NECESITATEA UTILIZARII POMPELOR DE CALDURA IN CLADIRI.
Ameliorarea eficacitatii proceselor energetice, industriale sau civile se realizeaza in mare masura prin introducerea in circuitul energetic a resurselor secundare de energie care apar si se dezvolta simultan cu aceste procese. Pompele de caldura fac parte din categoria instalatiilor care utilizeaza aceste resurse care pot aduce o contributie importanta la o mai buna utilizare a energiei pentru alimentarea cu caldura la niveluri termice moderate, solicitate de numeroase procese tehnologice si in special pentru incalzirea si prepararea apei calde de consum a cladirilor civile si industriale. Necesitatea utilizarii pompelor de caldura in cladiri are la baza doua considerente: - economisirea de energie, demonstrata prin analizele energetice ulterioare; - legislatia interna si internationala. Prezentam doar doua reglementari recente, referitoare la acest aspect. a) Protocolul de la Kyoto (1997). Monitorizeaza gazele cu efect de sera (principalul fiind CO2). Parafat si de Romania, protocolul a devenit functional din februarie 2005, cand dupa parafarea de catre Federatia Rusa au fost indeplinite conditiile necesare intrarii in vigoare: semnarea de minim 55 de state, a caror contributie in emisiile de CO2 in 1990 sa fie de minim 55%. Scopul acestui protocol este reducerea cu minim 5% a emisiilor de GES fata de nivelul din anul 1990, in perioada 2008-2012. Una din posibilitati este reducerea consumurilor energetice prin utilizarea pompelor de caldura , cu agenti de lucru cu impact cat mai redus asupra incalzirii atmosferei. b) Directiva b) Directiva 2002/91/CE a Parlamentului European European privind performanta energetica a cladirilor; In urma acestei directive, in Romania a fost promulgata Legea 372/13 decembrie 2005 privind performanta energetica a caldirilor , (in vigore de la 1 ianuarie 2007) in care se mentioneaza: • metodologia de calcul a performantei energetice a cladirilor, incluzand si instalatiile de producere a caldurii, printre care si pompele de caldura; • masurile necesare asigurarii Protocolului de la Kyoto, dintre care cele referitoare la pompele de caldura sunt: - reducerea consumurilor energetice din cladiri; - limitarea emisiilor de CO2. • utilizarea de sisteme de incalzire si de racire, alternative celor actuale, mai economice si mai putin poluante, pompele de caldura fiind mentionate in acest sens.
1. NECESITATEA UTILIZARII POMPELOR DE CALDURA IN CLADIRI.
Ameliorarea eficacitatii proceselor energetice, industriale sau civile se realizeaza in mare masura prin introducerea in circuitul energetic a resurselor secundare de energie care apar si se dezvolta simultan cu aceste procese. Pompele de caldura fac parte din categoria instalatiilor care utilizeaza aceste resurse care pot aduce o contributie importanta la o mai buna utilizare a energiei pentru alimentarea cu caldura la niveluri termice moderate, solicitate de numeroase procese tehnologice si in special pentru incalzirea si prepararea apei calde de consum a cladirilor civile si industriale. Necesitatea utilizarii pompelor de caldura in cladiri are la baza doua considerente: - economisirea de energie, demonstrata prin analizele energetice ulterioare; - legislatia interna si internationala. Prezentam doar doua reglementari recente, referitoare la acest aspect. a) Protocolul de la Kyoto (1997). Monitorizeaza gazele cu efect de sera (principalul fiind CO2). Parafat si de Romania, protocolul a devenit functional din februarie 2005, cand dupa parafarea de catre Federatia Rusa au fost indeplinite conditiile necesare intrarii in vigoare: semnarea de minim 55 de state, a caror contributie in emisiile de CO2 in 1990 sa fie de minim 55%. Scopul acestui protocol este reducerea cu minim 5% a emisiilor de GES fata de nivelul din anul 1990, in perioada 2008-2012. Una din posibilitati este reducerea consumurilor energetice prin utilizarea pompelor de caldura , cu agenti de lucru cu impact cat mai redus asupra incalzirii atmosferei. b) Directiva b) Directiva 2002/91/CE a Parlamentului European European privind performanta energetica a cladirilor; In urma acestei directive, in Romania a fost promulgata Legea 372/13 decembrie 2005 privind performanta energetica a caldirilor , (in vigore de la 1 ianuarie 2007) in care se mentioneaza: • metodologia de calcul a performantei energetice a cladirilor, incluzand si instalatiile de producere a caldurii, printre care si pompele de caldura; • masurile necesare asigurarii Protocolului de la Kyoto, dintre care cele referitoare la pompele de caldura sunt: - reducerea consumurilor energetice din cladiri; - limitarea emisiilor de CO2. • utilizarea de sisteme de incalzire si de racire, alternative celor actuale, mai economice si mai putin poluante, pompele de caldura fiind mentionate in acest sens.
2. 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 TIZ apropiata de cea a mediului ambiant TA, la un potential termic mai ridicat TC, 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 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 2.1 se prezinta schema pompei de caldura (a) si a transformatorului de caldura (b). ECM EA
EC
EA
TC
Eiz
ECm
TIZ Fig. 2.1. 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: EIZ + EA = EC
(2.1)
- pentru transformatorul de caldura: ECm + ECM = EA
(2.2)
unde: EIZ reprezinta energia preluata de la izvorul de caldura, la temperatura TIZ; EC este energia termica cedata consumatorului de caldura, la temperatura TC, care poate fi de potential termic minim (ECm) sau maxim (ECM); EA 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, TA, in timp ce la instalatia frigorifica ciclul termodinamic este plasat sub temperatura mediului ambiant TA), ca in figura 2.2. CONSUMATOR
T PC
TA IF
CONSUMATOR
Fig. 2.2. 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 2 de caldura (coeficientul de transfer convectiv αCV = 8-15 W/m K la curgerea naturala 2 si 30…50 W/m K 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 2.3), 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 2.3). Se disting, astfel, trei situatii de functionare:
P [kW] 1
2 PET
PO LI tPO
tPET
tLI
o
te [ C]
Fig. 2.3. Asigurarea necesarului de c aldura 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, tPET; - cand temperatura exterioara scade sub tPET, 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 (te) atinge punctul de oprire tPO, 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 2.4. 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. T
PK
ФC
ФO
timp
PC/IF
Fig. 2.4. 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 2.5 este prezentata schema unei pompe de caldura cu electrocompresor, care, prin simplitatea actionarii si compactitate va fi cea mai des intalnita.
Fig. 2.5. 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 c orecta.
3. 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. 3.1. Indicatori energetici.
Indicatorii energetici necesari analizei implementarii pompelor de caldura in instalatiile de incalzire sunt: eficienta reala a pompei de caldura εPC,R , eficienta globala a pompei de caldura εPC,G, eficienta globala a instalatiei εI,G, eficienta globala anuala a pompei de caldura εPC,G,AN si eficienta globala anuala a sistemului de incalzire εSI,G,AN. Functionarea unei pompe de caldura este caracterizata prin coeficientul de performanta COP, definit ca raportul dintre efectul util produs (energia termica furnizata, EC) si energia consumata pentru obtinerea lui (energia de actionare, EA). Acest indicator este denumit si eficienta a pompei de caldura, PC .
COP = ε PC =
EC EA
(3.1)
Din bilantul energetic al pompei de cladura, se poate evidentia legatura dintre eficienta unei instalatii care lucreaza ca pompa de caldura (εPC) sau ca instalatie frigorifica (εIF):
ε PC =
E IZ + E A E IZ = 1+ = 1 + ε IF EA EA
(3.2)
Cele mai rentabile sisteme sunt cele care utilizeaza simultan cu caldura produsa si efectul frigorific adiacent EIZ, in acest caz eficienta totala este:
ε PC + IF =
E C + E IZ EA
=
E IZ + E A + E IZ EA
= ε PC + ε IF
(3.3)
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. 3.1.1. Eficiente teoretice. In functie de temperaturile de referinta, se deosebesc doua eficiente teoretice ale pompei de caldura: a) eficienta teoretica a surselor, 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, TIZ si a consumatorului, TC, obtinand:
εPC,TS =
TC = TC − TIZ
1 TIZ 1− TC
(3.4)
b) eficienta teoretica a ciclului, 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, TV si cea din condensator, TCd. In acest caz, eficienta coincide cu cea a ciclului Carnot inversat, parcurs intre aceleasi temperaturi, εC.
εPC,TC = εC =
TC d TCd − TV
(3.5)
Cum TCd > TC si TV < TIZ, rezulta εPC,TC < εPC,TS. 3.1.2. Eficiente reale. a) eficienta reala a ciclului, εPC,RC. Aceasta se poate determina luand in considerare si pierderile Π j, datorate ireversibilitatilor interne, prin frecarile ce insotesc procesele reale de comprimare si de destindere, apreciate de ηex, randamentul exergetic al ciclului termodinamic real, parcurs de pompa de caldura:
εPC,RC = εC ⋅ ηex =
TCd TCd − TV
⋅ (1 − ∑ Π j )
(3.6)
Fig. 3.1. Variatia eficientei reale a ciclului pompei de caldura cu electrocompresor in functie de temperatura de vaporizare t V si de condensare t Cd
PC,RC
In figura 3.1 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 c ca 40...60% 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 3.2.
Fig. 3.2. Variatia diferitelor eficiente ale unei pompe de caldura aer/aer cu temperatura exterioara te (pentru temperatura interioara t i = 20°C).
b) eficienta reala a pompei de caldura cu electrocompresor R,PCEK, Particularizand formele de energie care intervin in cazul pompei de caldura cu electrocompresor, eficienta reala se poate defini ca: ε R , PCEK =
Φ Cd PK
(3.7)
unde: Φ Cd este puterea termica instantanee cedata de condensator si eventual de ventilatorul acestuia, in W; PK - puterea electrica absorbita de motorul compresorului, in W. Obtinuta prin incercari termice, εR,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, εPC,RC (curba 3 din figura 3.2). c) eficienta globala a pompei de caldura, PC,G corespunde puterii medii orare a condensatorului ΦCd,mh si puterii electrice medii orare absorbite de compresor PK, mh, dar si de utilajele auxiliare Paux, mh (ventilatoare, pompe, rezistente electrice pentru degivrare sau incalzire a carterului):
ε PC, G =
Φ Cd , mh PK , mh + Paux, mh
(3.8)
Daca izvorul de caldura este aerul exterior, poate aparea givrarea suprafetei vaporizatorului, diminuandu-i performantele (vezi curba 4 din figura 3.2). d) eficienta globala a instalatiei, I,G; la sistemele de preparare centralizata a caldurii se tine seama si de pierderile din reteaua de distributie, ΦP, incat la consumator ajunge numai puterea termica orara medie utila, ΦC,mh,u, obtinandu-se:
ε I ,G =
ΦC,mh ,u ΦP = ε PC,G − PK,mh + Paux ,mh PK,mh + Paux,mh
(3.9)
Aceasta eficienta, redata de curba 5 din figura 3.2, 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, PC,G AN. Aceasta corespunde mediei anuale a eficientei globale εPC,G, in timpul sezonului de incalzire:
ε PC,G,AN =
ΦCd,mAN PK, mAN + Paux, mAN
(3.10)
Daca nzk este numarul de zile de incalzire, cand temperatura exterioara este tk , in functie de zona climatica, iar nhk este numarul de ore pe zi, de functionare a pompei de caldura, la temperatura tk , numarul anual de ore de functionare a pompei de caldura nAN va fi: t k = t nc
n AN =
∑ n hk ⋅ n zk
tk =te
(3.11)
unde te este temperatura exterioara, in perioada de incalzire, in °C tnc- temperatura exterioara peste care nu se solicita incalzirea datorita aporturilor termice gratuite ale cladirii. Cu acestea, εPC,G AN se poate scrie sub forma: t k = t nc
∑ n hk ⋅ n zk ⋅ ε PC,Gk
ε PC,G,AN =
t k =t e
t k = t nc
∑ n hk ⋅ n zk
t k =te
(3.12)
in care εPC,Gk , este eficienta globala a pompei de caldura, pentru te=tk . 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, I,G,AN. Este similara cu εPC,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, SI,G,AN. Acum sunt luate in calculul atat caldura cedata de sursa de varf, ΦV,m,AN, cat si puterea consumata pentru actionarea acestei instalatii alternative, PV,m,AN, in cazul functionarii in regim bivalent:
ε SI,G,AN
ΦCd ,mAN + ΦV, mAN = PK,mAN + Paux, mAN + PV,mAN
(3.13)
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 η = 0,8 in centralele hidroelectrice, cu η = 0,38...0,41 in centralele termoelectrice sau cu η = 0,31...0,33 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, Φu,AN, la consumul anual de combustibil echivalent, BCE,AN, necesar producerii puterii de actionare, obtinandu-se gradul de utilizare al combustibilului, AN :
ϕAN =
Φu ,AN BCE,AN
(kW/kg)
(3.14)
3.2 Indicatori economici.
De regula pompa de caldura realizeaza o economie de combustibil E (cheltuieli 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 ICT, 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 , ∆I = IPC-ICT (lei), pe seama economiei de exploatare realizata prin consumul mai scazut de combustibil, ∆E = ECT-EPC (lei/an): n=
∆I ∆E
(ani)
(3.15)
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.
4. ANALIZA ENERGETICA A PRODUCERII CALDURII.
Caldura necesara incalzirii cladirilor si a prepararii apei calde menajere si sanitare se poate produce cu o sursa clasica (cazan termic) sau cu o pompa de caldura. Pentru o analiza energetica a modurilor de producere a caldurii consideram aceiasi cantitate de energie primara (combustibil gazos de exemplu) si analizand pierderile ce intervin in procesele de producere a caldurii obtinem in fiecare caz analizat cantitatea de caldura produsa de instalatie (cazan termic sau pompa de caldura). Se poate evidentia astfel gradul de utilizare a combustibilului de fiecare instalatie. 4.1. Producerea caldurii cu un cazan termic.
Sunt analizate doua cazuri, dupa tipul de combustibil utilizat: lichid sau gazos. a) Energia primara: pacura. In figura 4.1 este prezentata schema de producere a caldurii cu un cazan termic alimentat cu pacura.
Fig. 4.1. Producerea caldurii cu un cazan cu pacura.
Astfel, din energia primara EP (100%) reprezentata de combustibil, scazand pierderile referitoare la acesta πCOMB (rafinare, transport, descarcare si manipulare), apreciate la 10%, obtinem energia combustibilului efectiv intrata in cazan, ECOMB.
Considerand un randament al cazanului ηCAZ = 0.7…0.78, care ia in consideratie atat pierderile prin arderea incompleta, prin radiatie si prin gazele arse, dar si cele datorate functionarii la sarcina partiala, rezulta caldura utila ΦU cedata consumatorului de caldura: E COMB = E P ⋅ (1 − π COMB )
(4.1)
Φ u = E COMB ⋅ η CAZ = E P ⋅ (1 − π COMB ) ⋅ η CAZ
(4.2)
Gradul de valorificare a energiei primare, la un cazan cu pacura, va fi: ϕ AN ,CTpacaura =
Φu E p
= (1 − π COMB ) ⋅η CAZ = (1 − 0.1) ⋅ 0.7 = 0.63
(4.3)
In figura 4.2 se prezinta bilantul energetic al cazanului cu pacura, tinand seama de consideratiile mentionate.
Fig. 4.2. Bilantul energetic al cazanului cu pacura.
b) Energie primara: gaze. In acest caz nu exista pierderi referitoare la combustibil ( πCOMB = 0), iar randamentul minim al unui cazan cu gaz este mai mare decat cel cu pacura (ηCAZ = 0.8), incat obtinem: Φ u = E P ⋅η CAZ ϕ AN, CTgaze =
Φu E p
(4.4) = η CAZ = 0.8
(4.5)
Bilantul energetic al unui cazan alimentat cu combustibil gazos este prezentat in figura 4.3.
Fig. 4.3. Bilantul energetic al cazanului cu combustibil gazos.
4.2. Producerea caldurii cu pompe de caldura. a) Pompa de caldura cu comprimare mecanica, cu motor electric .
Fig. 4.4. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu electrocompresor (PCEK).
Figura 4.4 prezinta schema de producere a caldurii cu o pompa de caldura cu electrocompresor. Caldura poate fi produsa integral de poma de caldura (functionare individuala) sau partial de pompa de caldura si complementar de o sursa clasica (functionare bivalenta).
* Functionare individuala. In vaporizatorul V al pompei de caldura este preluata caldura Φ IZV de la un izvor de caldura. Tinand seama de pierderile ce intervin la preluarea acestei calduri (πIZV = 10%), datorate diferentelor de caldura dintre mediile ce transporta caldura, putem obtine puterea termica a vaporizatorului Φ 0 . Energia de actionare a pompei de caldura E p,PC, deci pentru antrenarea motorului electric M al compresorului K, este produsa intr-o centrala termo-electrica cu un randament ηEL = 0.38. Considerand si pierderile intervenite la transportul energiei electrice (de la CTE la motorul electric, πEL = 2%) si cele referitoare la antrenarea compresorului (consideram un randament mecanic ηm = 0.97) rezulta puterea PK consumata de compresor. PK = E p , PC ⋅ η EL ⋅ (1 − π EL ) ⋅ η m
(4.6)
Considerand un coeficient de performanta al pompei de caldura ε PC = 3...5 , putem obtine fluxul de caldura cedat de condensatorul C, Φ C : Φ C = PK ⋅ ε PC
(4.7)
Aceasta este deci caldura utila cedata consumatorului de caldura, Φ U : Φ u = Φ u , PC = Φ C = E P , PC ⋅η EL ⋅ (1 − π EL ) ⋅η m ⋅ ε PC
(4.8)
Gradul de valorificare a energiei primare la pompa de caldura cu electrocompresor, cu functionare individuala, va fi deci: ϕ AN , PCEK =
Φu E p, PC
= (1 − π EL ) ⋅η m ⋅ η EL ⋅ ε PC = (1 − 0.02) ⋅ 0.97 ⋅ 0.38 ⋅ 3 = 1.083
(4.9)
Daca in cazul producerii caldurii cu un cazan termic gradul de valorificare a energiei primare este < 1, in cazul pompelor de caldura el este > 1, deci se produce mai multa caldura decat energia primara utilizata. In cazul pompei de caldura cu electro-compresor ϕ AN ,PCAEK = 0.8 (ca la cazanul cu gaze) daca ε PC = 2.21, situatie la care nu se mai recomanda ca pompa de caldura sa functioneze. Bilantul energetic al producerii caldurii cu o pompa de caldura cu electrocompresor cu functionare individuala este prezentat in figura 4.5.
Fig. 4.5. Bilantul energetic al PCEK.
* Functionare bivalenta . In acest caz pompa de caldura este cuplata cu o sursa clasica de producere a caldurii, (consideram un cazan cu gaze pentru a putea face comparatia cu cazul producerii caldurii integral de acesta), care intra in functionare cand apare un varf de consum si cererea de caldura nu poate fi satisfacuta complet de catre pompa de caldura. Deci caldura utila cedata consumatorului de caldura ΦU este partial acoperita de pompa de caldura, ΦU,PC si partial de cazanul termic ΦU,CT: Φ u = Φ u , PC + Φ u ,CT
(4.10)
Caldura utila oferita de pompa de caldura reprezinta cca 65…70%, restul de 35…30% este asigurata de cazan (fie simultan cu pompa de caldura, fie la o functionare doar a cazanului, cand temperatura exterioara este mai coborata si functionarea pompei de caldura nu se mai recomanda). Caldura utila cedata de pompa de caldura va fi: Φ u , PC = Φ C = E P , PC ⋅η EL ⋅ (1 − π EL ) ⋅η m ⋅ ε PC
(4.11)
Caldura utila cedata de cazanul termic cu gaz va fi: Φ u ,CT = E COMB ⋅η CAZ = E P ,CT ⋅ η CAZ
(4.12)
Considerand ca Φ U , PC ≈ 2 ⋅ Φ U ,CT
(4.13)
si ca E P , PC + E P ,CT = 100%
(4.14)
se propune ca necunoscuta una din cele doua energii primare (EP,PC =x) si considerand pierderile, randamentele si eficienta pompei de caldura luate in calcul anterior, bilantul global al instalatiei devine: x ⋅η EL ⋅ (1 − π EL ) ⋅η m ⋅ ε PC = 2 ⋅ (1 − x) ⋅ η CAZ
(4.15)
relatie care conduce la solutia: x = 59.62. Cu aceasta, caldura utila cedata consumatorului de caldura devine: Φ U = 59.62 ⋅ 0.38 ⋅ (1 − 0.02) ⋅ 0.97 ⋅ 3 + 40.38 ⋅ 0.8 = 96.9%
(4.16)
rezultand urmatoarele participatii ale celor doua utilaje in caldura utila cedata consumatorului: Φ u , PC = 64.6 ⇒ 66.7% din totalul caldurii cedate; Φ u ,CT = 32.3 ⇒ 33.3% din totalul caldurii cedate.
Fig. 4.6. Bilantul energetic al instalatiei cu functionare bivalenta (PCEK + CT).
Gradul de valorificare a combustibilului la instalatia cu functionare bivalenta (pompa de caldura cu electrocompresor si cazan termic cu gaze) va fi deci:
ϕ AN , PCEK +CT =
Φu E p
= 0.969
(4.17)
evident mai mai mic decat in cazul pompei de caldura cu electrocompresor cu functionare individuala, reducerea fiind datorata utilizarii si a cazanului termic. In figura 4.6. se prezinta bilantul energetic al instalatiei de producere a caldurii cu functionare bivalenta (pompa de caldura cu electrocompresor si cazan termic cu gaze). b). Pompa de caldura cu comprimare mecanica, cu motor termic.
Fig. 4.7. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu motor termic.
Motorul termic MT este mai scump decat unul electric, fiind dotat cu un dispozitiv de racire cu apa, RM si eventual cu un recuperator de caldura din gazele arse, RG. In acelasi timp, exista posibilitatea recuperarii unei cantitati de caldura, altfel pierduta in mediul ambiant, prin racirea motorului si a gazelor de ardere (ce rezulta din combustibilul care alimenteaza motorul termic). Aceste fluxuri de caldura ( Φ RM Φ Φ C ), obtinand astfel, atat o cantitate , RG ) se adauga celui cedat de condensator ( mai mare de caldura cedata consumatorului, cat si un potential termic mai ridicat (apa calda preparata se poate incalzi inseriat functie de solicitarea consumatorului). Cum temperatura de condensare este limitata de presiunea fluidului de lucru, in condensator se va realiza prima treapta de incalzire. Apa calda va fi incalzita in continuare in racitorul motorului iar incalzirea de varf va fi realizata pe seama gazelor arse.
Bine inteles ca si aceasta pompa de caldura poate functiona in regim bivalent, cuplata cu o instalatie clasica de producere a caldurii, caz in care determinarea gradului de valorificare a combustibilului se face similar pompei de caldura cu motor electric, dar pentru simplificare se va prezenta doar situatia functionarii individuale. Φ u = Φ C + Φ REC = Φ C + Φ RM + Φ RG
(4.18)
Φ C = PK ⋅ ε PC = E COMB ⋅η M ⋅
(4.19)
unde: PC
= E p ⋅ (1 − π AUX ) ⋅η M ⋅ ε PC
Φ REC = E COMB ⋅ (1 − η m ) ⋅η REC
(4.20)
Consideram un randament al motorului termic η M = 0.3 , un randament al recuperarii de caldura in cele doua schimbatoare de caldura, racitorul motorului termic RM si racitorul de gaze arse RG, η REC = 0.8 , un coeficient de performanta a pompei de caldura ε PC = 3 , pierderile la preluarea caldurii de la izvor, πIZV = 10% si pierderile auxiliare datorate suflantei de gaze arse si pompei de apa racire a motorului termic πAUX = 3%. Obtinem astfel gradul de valorificare a energiei primare in cazul pompei de caldura cu motor termic, termic, la o functionare individuala: ϕ AN , PCMT =
Φu E p
= (1 − π AUX ) ⋅ [η M ⋅ ε PC + (1 − η m ) ⋅η REC ] = (1 − 0.03) ⋅ [0.3 ⋅ 3 + (1 − 0.3) ⋅ 0.8] =
= 1.416
(4.21)
Conform normelor germane DIN 4701, proportia fluxurilor de caldura datorate condensatorului pompei de caldura si recuperarilor de caldura din totalul caldurii utile cedate consumatorului este:
ΦC = (0.53…0.7)·Φu;
ΦREC = (0.47…0.3)·Φu
Se remarca gradul ridicat de valorificare a energiei primare in acest caz, compensand investitia superioara fata de o pompa de caldura cu motor electric. Astfel, de cate ori exista posibilitatea alimentarii pompei de caldura direct cu combustibil se recomanda aceasta instalatie. Bilantul energetic al pompei de caldura cu motor termic este prezentat in figura 4.8.
Fig. 4.8. Bilantul energetic al pompei de caldura cu motor termic .
c) Pompa de caldura cu absorbtie.
Exista doua variante de instalatii frigorifice cu absorbtie: cu solutie apaamoniac (cu temperaturi de vaporizare positive sau negative) si cu solutie bromura de litiu-apa (cu temperaturi de vaporizare doar positive), ambele utilizabile si ca pompe de caldura. In acest caz este analizata cea cu solutie apa-amoniac, care poate fi cuplat cu izvoare de caldura cu temperaturi mai variate. Schema producerii caldurii cu o pompa de caldura cu absorbtie cu solutie apa-amoniac este prezentata in figura figura 4.9. Caldura Φ IZV de la izvorul de caldura, diminuata cu pierderile π IZV , ajunge in vaporizatorul V al pompei de caldura, unde serveste la vaporizarea amoniacului ( Φ 0 ). Compresorul actionat de un motor electric sau termic, de la instalatia cu compresie mecanica, este inlocuit acum de “compresorul termochimic” , alcatuit din ansamblul de utilaje: absorbitor A, pompa de solutie concentrata P S, economizor E, fierbator F, deflegmator DF si ventil de laminare pentru solutia diluata VL S. Actionarea “compresorului termochimic” implica alimentarea fierbatorului cu energia termica Φ F cedata de un agent incalzitor (abur, condens, apa calda, gaze calde), sau de un combu-stibil si a pompei de solutie cu energia electrica P P. In acelasi timp, se produce caldura Φ A in absorbitor si Φ DF in deflegmator. Astfel,
caldura utila cedata consumatorului de caldura, adaugand si caldura Φ C cedata in condensatorul C va fi: Φ u = Φ C + Φ DF + Φ A
(4.22)
Fig. 4.9. Producerea caldurii cu pompa de c aldura cu absorbtie in solutie apa-amoniac.
Similar pompei de caldura cu compresie mecanica cu motor termic, si aici caldura utila este preparata in 3 utilaje, rezultand atat o cantitate mai mare cat si un potential termic superior. Cum temperatura de condensare este limitata de presiunea maxima din instalatie, condensatorul constituie prima treapta de incalzire; urmeaza incalzirea din deflegmator, pe seama vaporilor supraincalziti de amoniac si cea finala din absorbitor. Comparativ cu caldura Φ C cedata in condensator, caldura Φ DF reprezinta 15…30%, iar Φ A 150…170%, deci in acest caz caldura utila este dubla fata de pompa de caldura cu electrocompresor, cand se producea caldura doar in condensator. In acelasi timp, trebuie mentionat ca si energia de actionare a fierbatorului este mult mai mare decat cea necesara actionarii compresorului ( Φ F > PK ), dar fiind energie termica este mai usor d e produs, fiind deci mai ieftina, mai ales cand se poate utiliza un agent termic deseu. Energia electrica necesara antrenarii pompei de solutie este neglijabila ( PP ≈ 0.005Φ F ). Desi pompa de caldura cu absorbtie este mai complicata decat cea cu electrocompresor, faptul ca nu are piese in miscare (doar pompa de solutie), deci are un grad redus de uzura care conduce la o perioada dubla de utilizare, face aceasta instalatie rentabila, mai ales la puteri termice mari. Utilizand relatia coeficientului de performanta al acestei pompe de caldura:
Φ C + Φ DF + Φ A = (Φ F + PP ) ⋅
PC
(4.23)
unde: Φ F = E P ,CT ⋅η CAZ ⋅η TR
(4.24)
PP = E p, P ⋅η EL ⋅ (1 − π EL ) ⋅η m
(4.25)
in care η CAZ ,η EL , π EL siη m au valorile considerate in exemplele anterioare, iar randamentul transportului agentului incalzitor de la CT la fierbator, η TR = 0.97. Coeficientul de performanta uzual al pompei de caldura cu absorbtie in solutie apa amoniac ε PC .= 1.58. Stiind ca energia primara pentru aceasta pompa de caldura este compusa din cea necesara producerii agentului incalzitor (pentru alimentarea fierbatorului) si din cea electrica pentru alimentarea pompei de solutie: E P = E P ,CT + E P , P = 100%
(4.26)
si considerand necunoscuta EP,P = x, cu relatia dintre Φ F si PP obtinem: x ⋅η EL ⋅ (1 − π EL ) ⋅η m = 0.005 ⋅ (1 − x) ⋅η CAZ ⋅ η TR
(4.27)
cu solutia: x = 0.01 Caldura utila cedata de aceasta pompa de caldura, utilizand si relatia (4.23) va fi deci: Φ U = Φ C + Φ DF + Φ A = (Φ F + PP ) ⋅ ε PC = =[ 99 ⋅ 0.8 ⋅ 0.97 + 1 ⋅ 0.38 ⋅ (1 − 0.02 ) ⋅ 0.97 ] ⋅1.58 = 121.9%
(4.28)
Gradul de valorificare a energiei primare de catre pompa de caldura cu absorbtie in solutie apa – amoniac este: ϕ AN , PCA =
Φu E p
= 1.219
(4.29)
Bilantul energetic al acestei pompe de caldura este prezentat in figura 4.10.
`Fig. 4.10. Bilantul energetic al pompei de caldura cu absorbtie in solutie apa - amoniac. d) Pompa de caldura cu ejectie.
Producerea caldurii cu pompa de caldura cu ejectie este prezentata in figura 4.11. Caldura preluata de la izvorul de caldura Φ IZV , diminuata cu pierderile inerente π IZV , este utilizata in vaporizatorul V ( Φ 0 ). Pentru antrenarea vaporilor produsi in vaporizator, ejectorul E utilizeaza energia adusa de aburul de actionare Φ AB , produs intr-o centrala termica cu combustibil gazos. Cele doua energii termice, din vaporizator Φ 0 si de la aburul de antrenare a ejectorului Φ AB se regasesc in fluxul de caldura Φ C cedat in condensatorul C catre consumatorul de caldura: Φ u = Φ C = Φ 0 + Φ AB
(4.30)
Cu coeficientul de performanta al acestei pompe de caldura ( ε PC = 1.25 ) obtinem: Φ C = Φ AB ⋅
PC
= E p ⋅η CAZ ⋅η TR ⋅ ε PC
(4.31)
Fig. 4.11. Producerea caldurii cu pompa de caldura cu ejectie.
Gradul de valorificare a energiei primare de catre pompa de caldura cu ejectie va fi deci: ϕ AN , PCE =
Φu E p
= η CAZ ⋅η TR ⋅ ε PC = 0.8 ⋅ 0.97 ⋅ 1.25 = 0.97
(4.32)
Este evident cel mai scazut grad de valorificare a energiei primare de catre o pompa de caldura cu functionare individuala, din cauza marelui consum de energie de actionare a ejectorului, impus de randamentul foarte scazut al acestui “compresor” . Raman valabile insa consideratiile referitoare la tipul de energie de actionare (termica, deci mai usor de produs) mentionate si la pompa de caldura cu absorbtie. Totusi, chiar si in acest caz, se produce mai multa caldura decat in cazul prepararii clasice (cu cazan termic). Bilantul energetic al pompei de caldura cu ejectie este prezentat in figura 4.12. In tabelul 4.1 sunt prezentate rezultatele analizei energetice a producerii clasice a caldurii (cu cazane termice) si cu diferite pompe de caldura. Se evidentiaza economiile de combustibil (energie primara) realizate de toate pompele de caldura fata de situatia prepararii caldurii cu cazanul termic cu gaze. Este prezentat si cazul cazanului cu pacura, care utilizand mai multa energie primara va conduce la economii de combustibil mai mari pentru pompele de caldura. Deasemenea, este prezentata si functionarea in regim bivalent pentru pompa de caldura cu electrocompresor. Evident ca si celelalte pompe de caldura pot functiona in regim bivalent, calculul gradului de valorificare a energiei primare in aceste cazuri putandu-se face corespunzator fiecarei situatii.
Fig. 4.12. Bilantul energetic al pompei de caldura cu ejectie.
Tabel. 4.1. Analiza energetica a producerii caldurii. ϕ AN Instalatia Energia primara
Cazan cu pacura. Cazan cu gaze. Pompa de caldura cu electrocompresor. (E p = gaze). Pompa de caldura cu electrocompresor si cazan. Functionare bivalenta. (E p = gaze). Pompa de caldura cu compresor cu motor termic. (E p = gaze). Pompa de caldura cu absorbtie. (E p = gaze). Pompa de caldura cu ejectie. (E p = gaze)
0.63 0.8 1.083
E p (%) 158.73 125 92.34
Economia de combustibil ∆ E (%) + 33.73 0 - 32.66
0.969
103.2
- 21.8
1.416
70.62
- 54.38
1.219
82.03
- 42.97
0.97
103.09
- 21.91
5. INCALZIREA CU POMPE DE CALDURA. 5.1. 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 1...5 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 5.1. 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. 5.1. 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, tSV, coboara sub punctul de roua al aerului, se produce condensarea vaporilor de apa din aer pe suprafata de racire. Cand tSV < 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 5.2 este prezentata dependenta eficientei unei pompe de caldura aeraer 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. 5.2. 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 5.3), 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. 5.3. 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 5.1 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 5.4 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 2 incalzirea unor apartamente, vile cu suprafata utila de 70...150 m . Pentru o functionare cu temperatura de vaporizare t0= -3°C si cea de condensare tC=30°C, cu R134a, conform diagramelor prezentate pentru vaporizator si condensator, se obtine o eficienta reala εPC,R = 4,5. C
θ
C
30
R134a
22
A E R
+ 20 °C
φ C + 7 °C
TC
VL
K
φ O
V
18
θ 7
PK
S
Sc
-3
V A E R
2
R134a
So
S
Fig. 5.4. 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 5.5. Instalatia a fost realizata in Germania, servind pentru incalzirea unei vile 2 cu o suprafata utila de 204 m . Necesarul de incalzire Φ NEC si puterea termica cedata de condensatorul pompei de caldura Φ Cd variaza cu temperatura exterioara ca in graficul din figura 5.5.b. Astfel, pentru temperaturi superioare punctului de echilibru termic (tPET = 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 3 in rezervorul R AC, cu un volum de 3 m . 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 < te < 9°C pompa de caldura asigura partial necesarul de caldura. O instalatie de varf IE (rezistenta electrica cu PIE=15 kW) completeaza cererea de caldura. Acum aerul interior recirculat este incalzit de condensatorul C si de schimbatorul 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 < te < 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. 5.5. Pompa de caldura aer-aer, cu electrocompresor, functionand in sistem bivalent. a) schema instalatiei, b) acoperirea necesarului de incalzire in functie de temperatura exterioara te.
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 εSI,GAN = 2,1. O pompa de caldura aer-aer, cu functionare individuala, utilizand ca izvor a erul evacuat dintr-o hala zootehnica si servind la incalzirea acelei hale, este prezentata in figura 5.6. 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 εPC,GAN = 2,7. t a u c r a C e v ° a e 8
t a p s C r a e o r ° a p 0
K
C aer cald 20° C
V VL aer evacuat 20° C
Fig. 5.6. Pompa de caldura aer-aer, cu electrocompresor, pentru incalzit o hala zootehnica.
Schema unei instalatii cu functionare bivalenta, utilizata pentru incalzirea si 2 climatizarea unui centru comercial, cu o suprafata de 920 m , este prezentata in figura 5.7. 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 te, astfel: - pentru te ≥ 12°C, necesarul de incalzire este acoperit de degajarile interne ale complexului si de caldura cedata de condensatorul instalatiei frigorifice IF; - pentru 2°C < te < 12°C, functioneaza si pompa de caldura 1; - pentru -5°C < te < 2°C, functioneaza si pompa de caldura 2;
- pentru -10°C < te < -5°C, functioneaza si pompa de caldura 3; - pentru te < -10°C, intra in functiune si incalzirea de varf SA.
Fig. 5.7. 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 εSI,GAN ≅ 4.
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 5.8, cand vaporizatorul V si condensatorul C isi pastreaza functiunea.
Fig. 5.8. 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 5.9 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. 5.9. 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 5.10. 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 condensator C1 al instalatiei frigorifice (un al doilea condensator C 2 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.
C
C
I
I
F (BPI) BR
CA
F (BPI) BR
CA
SP BI
SP BI
VT E
M
VT M
E
R
C1
VR
R
VR SC
SC
K
K
C2 θW2
θW1
θW2
C
Apa de racire
θW1
Apa de racire
Fig. 5.10. 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
kWh/m2∗ an
200 C a l d u r a
u r a a l d e c d a r c e s N e
150
D e g a j a t a
100
50
0 25
50
75
100
(%)
Suprafata periferica a caldurii
Fig. 5.11. 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 5.11), ce se pot recupera si ceda spatiilor periferice, unde exista pierderi de caldura mai importante.
5.2. 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, tw=40...50°C; - in panourile radiante (de pardoseala, de perete), tw=35...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 5.12 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). ε PC,R 5
4
PR 3
POr
CI
2
1
P 0t
0 -10
t PO -7 -5
0
5
10
15
20
te(°C)
Fig. 5.12. 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 POt 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 (15...22°C) prelungeste functionarea instalatiei si in sezonul foarte rece. In figura 5.13 sunt prezentate performantele pompelor de caldura aer evacuat – apa (puterea termica cedata de condensator Φ Cd , puterea electrica absorbita de compresor PK si eficienta reala ε PC , R ) in functie de temperatura apei calde preparate (tW).
PΚ ,ΦCD (kW)
ε
PC,R
4 30 20
3
ΦCD
2
10
1 PK
25
35
45
55 tW(°C)
25
35
45
55 tW(°C)
Fig. 5.13. 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 5.14 se prezinta schema unei pompe de caldura aer exterior-apa, realizata de firma Airwell. Instalatia lucreaza in regim bivalent: pentru te ≥ 6°C, pompa de caldura asigura tot necesarul de incalzire, pentru te < 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 BAS. 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.
EV VT
CS D R
PAC
JP
IP
V
C
K AE
BAS
Fig. 5.14. 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 5.15 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 te > 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 te= 0°C, fluxul de caldura necesar este:
Φ NEC = ΦCd + ΦRM + ΦRG = 109 kW
(5.1)
compresorul consumand puterea de actionare PK = 30 kW, incat pompa de caldura are o eficienta reala εPC,R = 3.6. La temperaturi mai scazute (te < 0 °C), pompa de caldura este oprita, necesarul de caldura mai mare (Φ NEC = 175 kW, la te= -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).
Φ
Φ
Φ
Φ
Fig. 5.15. Prepararea apei calde (pentru consum menajer si incalzire) cu o pompa de caldura cu compresie cu motor termic (doc. Linde).
In figura 5.16 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 C 2 se prepara apa calda pentru bazinul piscinei. Astfel, bilantul global al instalatei este: Φ 0 + PK = Φ Cd 1 + Φ Cd 2
(5.2)
Daca fluxul ΦCd2, 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. 5.16. 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.
5.3. 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 ΦAC, 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) ΦAC < ΦIZ, se pune in functiune o sursa alternativa, care incalzeste suplimentar apa din bucla, b) ΦAC = ΦIZ, cazul de echilibru energetic al buclei, c) ΦAC > ΦIZ, se evacueaza caldura in exces mediului, printr-un turn de racire cu circuit inchis. In general, apa din bucla are temperatura 18°C < tw < 32°C. Cand tw < 18°C (cazul a) se porneste sursa alternativa de caldura. Cand tw > 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 5.17 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 tC = 30°C, asigurand o eficienta reala, εPC,R = 5,5. 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. 5.17. 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 5.18 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. 5.18. 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 C1...C3), 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. 5.4. 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 (500...5000 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 instalatiile de puteri mai mici), sau a circuitelor de apa (la instalatiile mari). In figura 5.19 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 tmin = 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 ti = 25°C. Apa calda de consum este livrata cu 45°C. Puterea termica totala a instalatiei este 700 kW. Eficienta globala anuala a sistemului, εSI,GAN = 3,2. In figura 5.20 este prezentata o pompa de caldura cu absorbtie in solutie apaamoniac realizata de firma Borsig pentru incalzirea serelor din Viena.
Fig. 5.19. Pompa de caldura apa-apa pentru incalzire s i 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 Φ AC = 1160 kW, iar eficienta globala este: ε PC , G =
Φ A + Φ Cd + Φ Df Φ F
= 1.7
(5.3)
Fig. 5.20. 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 5.21 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. 5.21. Instalatie reversibila prin schimbarea circuitelor de apa (doc. Ciat).
5.5. 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. 5.22), - temperatura destul de ridicata, chiar in sezonul rece (8...10°C), - cand se foloseste ca izvor solul cu deseuri menajere, caldura degajata in timpul fermentarii acestora ridica temperatura solului cu 2...3°C.
Fig. 5.22. 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 5.23-a. Tevile (sondele) sunt plasate intr-un put cu diametrul de 150 mm si cu o adancime de 18...60 m. Energia termica captata este de 20...30 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 5.23-b. Tevile, din polietilena sau polibutilena, cu diametre de 25...38 mm, imbinate prin presare la cald, sunt asezate in santuri, la o adancime de 1...2 m. Energia termica captata este de 5...15 W/m, functie de diametrul tevilor, adancimea de pozare si caracteristicile solului.
Fig. 5.23. Amplasarea tevilor de captare a caldurii din sol pentru o pompa de caldura a) montare verticala, b) montare orizontala.
In figura 5.24 este prezentata schema unei pompe de caldura sol-apa, utilizata pentru incalzirea prin pardoseala a unei locuinte individuale, cu suprafata locuibila de 2 100 m , 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 (φ = 2 30x2,5 mm). Suprafata ocupata este de 200 m (deci dubla fata de cea a cladirii). Pompa de caldura este plasata intr-un subsol tehnic. Apa glicolata, recirculata in vaporizatorul V cu pompa PAG, are temperatura la sosirea din captatoare -2...-5°C iarna si 3...6°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 TPC, 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 PAC, comandate de termostatele T1 si T2, plasate in pardoseala, asigura circulatia apei in tevile din pardoseala.
Fig. 5.24. Pompa de caldura sol-apa (doc. Masser).
6. SISTEME DE PRODUCERE SIMULTANA A CALDURII SI FRIGULUI.
Cele mai rentabile sisteme sunt cele cu efect multiplu, cand alaturi de caldura se produce si frig (sisteme cu dublu efect), sau se produce simultan caldura, frig si energie electrica (trigenerare). In figura 6.1 este prezentata schema unei instalatii cu dublu efect, incalzire si racire, instalatia functionand atat ca pompa de caldura, asigurand prepararea apei calde pentru o piscina, cat si ca instalatie frigorifica, realizand gheata pentru un patinoar din vecinatate. Instalatia de baza este cu absorbtie in solutie apa-amoniac. Formarea ghetii, prin vaporizarea directa a amoniacului in tevile pistei la temperatura de -10°C, reprezinta in acelasi timp izvorul de caldura (se preia fluxul de caldura Ф0) pentru pompa de caldura. Apa calda pentru piscina este preparata in trepte, pe baza cedarilor fluxurilor de caldura din condensatorul C (ФC), din deflegmatorul DF ( ФDF) si din absorbitorul A
(ФA), pe ecartul 30 - 45°C. Pentru asigurarea conditiilor de calitate a apei din piscina s-au prevazut schimbatorul de caldura SC si statia de tratare ST. Singurele puteri ce trebuie platite sunt cea termica, ФF, de alimentare a fierbatorului din generatorul de vapori de amoniac G si cea electrica de alimentare a pompelor de circulatie a solutiei amoniacala, PS si a apei calde, P.
Fig. 6.1. Instalatie cu dublu efect: incalzirea unei piscine si realizarea ghetii pentru un patinoar
Coeficientul de performanata al acestei instalatii este deci: COP IF + PC =
Φ SC + Φ 0 Φ C + Φ DF + Φ A + Φ 0 = Φ F + PP Φ F + PP
(6.1)
Reglarea puterii termice si frigorifice a instalatiei, in functie de necesar, se realizeaza prin cazanul termic CT, care asigura incalzirea suplimentara a apei prin fluxul de caldura ФCT si prin turnul de racire TR, in care se cedeaza mediului surplusul de caldura ФTR din circuitul apei calde. O schema de producere simultana de caldura, frig si energie electrica (trigenerare) este prezentata in figura 6.2. Sunt cuplate trei instalatii: - o instalatie ce parcurge un ciclu de forta Clausius Rankine CKR , care produce energie electrica prin turbina T si energie termica in condensatorul C3, capabila sa incalzeasca un circuit de apa de temperatura ridicata utilizat pentru incalzire (50/70...90°C) si consum menajer (25/60...65°C);
- o instalatie frigorifica cu comprimare mecanica IFCM , care realizeaza o temperatura negativa (pentru un depozit alimentar, produs gheata sau realizarea unor procese tehnologice). Compresorul K este alimentat cu energia electrica produsa de turbina instalatiei de forta, iar condensatorul C1 cedeaza caldura unui circuit de apa calda de joasa temperatura utilizat la incalzire (30/50°C) si pentru consum menajer (25/45...50°C); - o instalatie frigorifica cu absorbtie IFA , in solutie de bromura de Litiu-apa, care realizeaza temperatura solicitata de un sistem de climatizare a aerului. Fierbatorul F este alimentat cu aburul destins in turbina T a instalatiei de forta, iar in condensatorul C2 si absorbitorul A se incalzeste apa din circuitul de incalzire si de consum menajer de joasa temperatura. Realizarea apei calde si a frigului la temperaturi diferite permite racordarea la mai multi consumatori, deci o utilizare cat mai continua a sistemului. Sistemul este deosebit de flexibil, cand nu este necesara functionarea unei instalatii frigorifice, se produce energie electrica suplimentara pentru sistemul energetic national SEN. In plus, se poate realiza o incalzire suplimentara a apei in schimbatorul de caldura SC, pe baza caldurii recuperate de la gazele arse rezultate din centrala termica CT a instalatiei de forta, sau se poate ceda surplusul de caldura catre mediu prin turnul de racire TR.
Fig. 6.2. Sistem de trigenerare (producere simultana de energie electrica, caldura si frig).
7. DIMENSIONAREA (ALEGEREA) UNEI POMPE DE CALDURA. 7.1. Consideratii generale.
Abundenta de instalatii ce pot functiona ca pompe de caldura, oferita de producatori, face inutila dimensionarea acesteia ci mai degraba alegerea ei si implementarea intr-un sistem de incalzire. Alegerea corecta a unei pompe de caldura, in conformitate cu scopul urmarit, (incalzire, incalzire si preparare apa calda de consum, functionare reversibila sau cu dublu efect) si stabilirea sistemului complet de alimentare cu caldura a consumatorului, in care pompei de caldura i se asociaza uneori si o sursa alternativa de caldura (functionare bivalenta), trebuie sa rezulte in urma unui calcul tehnicoeconomic. Acesta este bazat pe doua criterii: - optimum energetic: consumul minim de energie rezultat din analiza comparativa a diferitelor variante de pompe de caldura, luand in considerare si o sursa clasica de producere a caldurii,
7. DIMENSIONAREA (ALEGEREA) UNEI POMPE DE CALDURA. 7.1. Consideratii generale.
Abundenta de instalatii ce pot functiona ca pompe de caldura, oferita de producatori, face inutila dimensionarea acesteia ci mai degraba alegerea ei si implementarea intr-un sistem de incalzire. Alegerea corecta a unei pompe de caldura, in conformitate cu scopul urmarit, (incalzire, incalzire si preparare apa calda de consum, functionare reversibila sau cu dublu efect) si stabilirea sistemului complet de alimentare cu caldura a consumatorului, in care pompei de caldura i se asociaza uneori si o sursa alternativa de caldura (functionare bivalenta), trebuie sa rezulte in urma unui calcul tehnicoeconomic. Acesta este bazat pe doua criterii: - optimum energetic: consumul minim de energie rezultat din analiza comparativa a diferitelor variante de pompe de caldura, luand in considerare si o sursa clasica de producere a caldurii, - optimum economic: cheltuielile minime cu investitia necesara, dintre toate aceste variante. Cum, de regula, aceste doua optime nu corespund aceleasi instalatii, se calculeaza numarul de ani in care se recupereaza sporul de investitie al diferitelor pompe de caldura fata de sursa alternativa de caldura, pe seama economiei de exploatare (bazata pe consumul de energie mai mic), conform relatiei 3.15. Acest indicator va fixa solutia optima urmarita de ambele criterii. In acest calcul trebuie tinut cont si de urmatoarele recomandari: - metoda de calcul a necesarului de caldura trebuie sa fie corecta (dupa STAS 1907) si in conformitate cu situatia reala a cladirii. Desi in prezent exista programe de calcul destul de exact a necesarului de caldura sau frig, pentru simplitate se apeleaza uneori la consumuri specifice (raportari la suprafata sau volumul incalzit); - cum informatiile comerciale, date de constructorii de pompe de caldura, sunt deseori teoretice, optimiste, chiar eronate, se va apela la datele furnizate de laboratoarele autorizate de incercare pentru a afla perfomantele reale; - se vor include si consumurile auxiliare de energie permanente (ventilatoare, pompe,), sau nepermanente (rezistente electrice pentru carter sau pentru degivrare); - cand pompa de caldura nu acopera tot necesarul de caldura (frecvent acopera 60...70% din puterea de incalzire), se va include si consumul real al sursei alternative de caldura; - se va avea in vedere realizarea practica a instalatiei, care implica pierderi in reteaua de transport a caldurii (apa, aer); - se vor lua in considerare pierderile la livrarea caldurii urmarite in perioadele de degivrare, inversarea efectelor, dar si avantajele aduse prin prevederea, cand este posibil, a acumularilor termice, in circuitul izvorului si in cel al consumatorului. Alegerea unei pompe de caldura trebuie facuta in concordanta cu modul ei de functionare.
a) Varianta reversibila (incalzire si climatizare). Instalatia este aleasa incat sa asigure necesarul de racire in perioada de vara; la functionarea in sezonul rece, ca pompa de caldura, instalatia va fi astfel supradimensionata fata de optimul economic. b) Varianta utilizarii numai ca pompa de caldura. Rar se prevede o instalatie care sa asigure intregul necesar de incalzire, incat, de regula, se alege o instalatie cu o putere termica de 60...70% din necesarul de incalzire maxim (dependent si de temperatura exterioara locala, deci de timpul de utilizare a pompei de caldura in perioada de incalzire). 7.2. Exemplu de calcul.
Se considera cazul unui spatiu comercial care solicita un necesar de frig de 23 kW (vara, pentru temperatura exterioara te=35°C si temperatura interioara ti=21°C) si un necesar de caldura de 37 kW (iarna, pentru t e= -5°C, ti=21°C), si un debit de aer 3 introdus de 8 000 m /h. In varianta functionarii reversibile, vara ca instalatie frigorifica si iarna ca pompa de caldura aer exterior-aer, utilizand datele furnizate de firma Carrier (tabel 7.1), se alege o instalatie monobloc, de acoperis, tip 50 QU 015 care asigura o putere frigorifica Φ0 = 23,7 kW (la te = 35°C si ti = 21°C) si care, ca pompa de caldura, 3 asigura ΦCd = 28,4 kW (la te = -5°C si ti = 21°C), la un debit de aer de 9 800 m /h. In varianta utilizarii numai ca pompa de caldura, se propune o instalatie cu functionare bivalenta (cu o sursa electrica de varf). Se considera ca pompa de caldura trebuie sa acopere 70% din pierderile de caldura ale cladirii, la te = -5°C, ti = 21°C, deci sa produca o putere termica ΦCd = 0,7⋅37 = 25,9 kW. Se alege astfel modelul 50 QU 012, cu o putere nominala ΦCd = 41,7 kW (te = 6°C, ti = 21°C), care asigura o putere termica de 26,4 kW in conditiile te = -5°C 3 si ti = 21°C, pentru un debit de aer de 8200 m /h. Tabel 7.1. Caracteristicile tehnice ale instalatiilor CARRIER a) puterea frigorifica Φ0 (kW) TIP
Debit de 3 aer (m /h)
ti (°C)
50 QU-012
8200
50 QU-015
9800
21 23 25 27 PK (kW) 21 23 25 27 PK (kW)
te (°C) 25
30
35
40
45
50
20.5 25.3 30.1 34.9 11.4 27.1 31.4 35.8 40.1 12.5
19 23.9 28.7 33.5 12.2 25.4 29.4 34.1 38.4 13.6
17.6 22.4 27.2 32.1 12.9 23.7 28.1 32.4 36.7 14.9
16.2 21 25.8 30.6 13.7 22.1 26.4 30.7 35 15.8
14.1 19.2 24.1 27.5 14.7 20.1 24.3 28.6 32.2 16.7
13.3 18.1 22.9 24.8 15.4 18.6 22.9 27.2 29.4 17.3
b) puterea termica a condensatorului ΦCD (kW) si puterea electrica a compresorului PK (kW) TIP Debit de ti te (°C) 3 50 QU-012
aer (m /h)
(°C)
-15
-10
-5
0
6
12
18
8200
18
18.5 10.45 17.7 11.6 16.6 10.57 22.5 11.66 21.2 12.11 19.5 12.11
22.7 11.29 21.7 11.36 20.7 11.44 25.4 12.7 24.1 12.96 22.8 13.26
27.6 12.27 26.4 12.28 25.3 12.46 30 13.76 28.4 13.99 27.1 14.42
32.4 12.96 30.9 13.04 30 13.27 35.9 14.77 33.8 14.96 32.6 15.45
43.6 14.73 41.7 14.79 40.2 15.34 49.3 16.71 47.7 16.74 45.6 18.02
50.1 16.7 49 16.84 47.5 16.9 57.2 19.07 55.4 19.1 54 20.23
56.3 18.52 55 18.64 53.3 18.7 62.8 20.46 61 20.89 59.6 21.59
21 24 50 QU-015
9800
18 21 24
8. 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. 8.1. Ipoteze de calcul. 2
Cladirea cu suprafata utila de 240 m (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: • +20°C pentru casa scarii si spatiile anexe; • +22°C pentru camerele de zi, dormitoare; • +24°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: Q = 18.9 kW pentru te = + 5°C; Q = 20.2 kW pentru te = 0°C; Q = 21.6 kW pentru te = - 5°C; Q = 23 kW pentru te = - 10°C; Q = 24,3 kW pentru te = - 15°C; Q = 25,6 kW pentru te = - 20°C;
Situatia ameliorata: Q = 13,6 kW pentru te = + 5°C; Q = 15,5 kW pentru te = 0°C; Q = 17,4 kW pentru te = - 5°C; Q = 18,25 kW pentru te = - 10°C; Q = 19,05 kW pentru te = - 15°C; Q = 21,1 kW pentru te = - 20°C.
Pentru prepararea apei calda de consum se apreciaza un necesar termic QACC = 3 kW (3 persoane, 3 bai si o bucatarie). 8.2. 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; 0 - temperatura apei calde la corpurile statice si ventiloconvectoare: 50/40 C; - 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 8.1. 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 PAR1 intr-un schimbator de caldura cu placi SCP unde se raceste de la 10°C la 7°C si apoi este reintrodusa in panza freatica prin al doilea put P 2. 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 PAR2. 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 PAC1. Apa calda preparata de pompa de caldura alimenteaza boilerul B si distribuitorul. De la distribuitor sunt alimentate ventiloconvectoarele, cu pompa PAC2 si corpurile statice, cu pompa PAC3. Apa calda retur din ventiloconvectoare si corpuri statice este readusa in pompa de caldura prin intermediul colectorului. Apa potabila preluata cu pompa submersibila PAR3 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 50...55°C).
In conditii nominale de functionare (temperatura intrare solutie rece in vaporizator tV1 = 0°C si temperatura iesire apa calda din condensator tAC1 = 50°C) pompa de caldura asigura o putere termica ΦC = 16,5 kW. In conditiile de functionare cu tV1 = 8°C si tAC1 = 50°C puterea termica cedata de pompa de caldura este ΦC = 21 kW. Se constata ca aceasta putere termica acopera partial necesarul de incalzire al cladirii, si anume doar pentru temperturi exterioare mai mari de -5ºC, in conditiile existente si aproape integral (chiar pentru temperturi exterioare de -20ºC), 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, desupraincalzitorul DS, rezistentele electrice, pompa de solutie rece PAR2, pompa de apa calda PAC1, 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 PAC2, PAC3. Pompele de apa rece PAR1 si PAR3 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 PAR1 este pornita odata cu pompa de apa glicolata PAR2 cu 30 sec. inainte de pornirea compresorului; - pompele de apa calda PAC2 si PAC3 sunt actionate odata cu cea din componenta pompei de caldura, PAC1. 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. 8.1. Schema legaturilor pompei de caldura Thermia Eko 180 la instalatia de incalzire.
8.3. 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 8.1 si 8.2 sunt prezentate investitiile necesare si cheltuielile de exploatare pe o perioada de 10 ani in variantele considerate. Tabel 8.1. Investitia pentru pompa de caldura s i diferite cazane termice.
Pompa de caldura Pompa de caldura/cazan Captare apa freatica Schimbator de caldura
7 700 E 4 900 E 1 300 E
Cazan termic cu combustibil: GPL Motorina Gaz 3 000 E 3 000 E 3 000 E -
8.3. 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 8.1 si 8.2 sunt prezentate investitiile necesare si cheltuielile de exploatare pe o perioada de 10 ani in variantele considerate. Tabel 8.1. Investitia pentru pompa de caldura s i diferite cazane termice.
Pompa de caldura Pompa de caldura/cazan Captare apa freatica Schimbator de caldura Pompe circulatie Rezervor combustibil Bransament gaz Total
7 700 E 4 900 E 1 300 E 1 200 E 15 100 E
Cazan termic cu combustibil: GPL Motorina Gaz 3 000 E 3 000 E 3 000 E 3 500 E 3 500 E 4 000 E 6 500 E 6 500 E 7 000 E
Tabel 8.2. Cheltuielile de exploatare pentru pompa de caldura si diferitele cazane termice.
Caracteristici CT GPL CT motorina CT gaz PC EKO 180 Putere termica (kW) 24 24 24 21+9 Putere calorifica 6.3 10 9.44 combustibil (kW/l) Randament CT/Eficienta PC 0.9 0.85 0.9 2.33 Consum orar (combustibil 4.23 3.02 2.84 9 l/h; energie electrica kW) Functionare anuala (ore/an) 1 700 1 700 1 700 1 870* Pret combustibil (E/l); 0.5 0.9 0.3 0.087 energie electrica (E/kWh) Consum anual (l/an; 7 191 5 134 4 828 16 830 kWh/an) Cost anual energie (E/an) 3 595.5 4 620.5 1 448.5 1 464 Crestere pret energie 1.4 1.4 2 1.3 estimata in 10 ani Cheltuieli energie in 10 ani 50 337 64 687 28 970 19 032 (Euro) * 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.
