Sisteme cu pompe de caldura

> Sisteme neconventionale > Energii regenerabile > Sisteme cu pompe de caldura

Energia geotermală reprezintă diverse categorii particulare de energie termică, pe care le conţine scoarţa terestră. Cu cât se coboară mai adânc în interiorul scoarţei terestre, temperatura creşte şi teoretic energia geotermală poate să fie utilizată tot mai eficient, singura problemă fiind reprezentată de adâncimea la care este disponibilă această energie.

Energia geotermală de potenţial termic scăzut

Acest tip de energie geotermală este caracterizată prin nivelul relativ scăzut al temperaturilor la care este disponibilă şi poate fi utilizată numai pentru încălzire, fiind imposibilă conversia acesteia în energie electrică.

Energia geotermală de acest tip, este disponibilă chiar la suprafaţa scoarţei terestre, fiind mult mai uşor de exploatat decât energia geotermală de potenţial termic ridicat, ceea ce reprezintă un avantaj. În figura 1 se observă că începând de la adâncimi foarte reduse, temperatura solului poate fi considerată relativ constantă pe durata întregului an:

- La 1m temperatura solului variază între 5…15°C;

- La 1,5…3m temperatura solului variază între 7…13°C;

- La 4,5m temperatura solului variază între 8…12°C;

- La 6…10m temperatura solului variază între 9…11°C;

- La 10…18m temperatura solului variază cu mai puţin de 1°C în jurul valorii de 10°C;

- La peste 18m temperatura solului este constantă, având valoarea de 10°C.

Fig1. Variaţia temperaturii în sol, în zona de la suprafaţa scoarţei terestre

Exploatarea energiei geotermale de potenţial termic scăzut necesită echipamente special concepute pentru ridicarea temperaturii până la un nivel care să permită încălzirea şi/sau prepararea apei calde, ceea ce reprezintă un dezavantaj faţă de energia geotermală de potenţial termic ridicat.

Echipamentele menţionate, poartă denumirea de pompe de căldură şi au acelaşi principiu de funcţionare ca al maşinilor frigorifice, funcţionând cu energie electrică.

Pompele de căldură şi sursele de energie geotermală

Pompele de căldură, pot să absoarbă căldura din sol, de la diferite adâncimi, din apa freatică, din apele de suprafaţă (dar numai cu condiţia să nu existe pericolul ca apa să îngheţe), sau chiar din aer (dar numai în perioadele în care temperatura aerului este suficient de mare, pentru a permite funcţionarea pompelor de căldură, cu o eficienţă ridicată). Indiferent de sursa de căldură, pompele de căldură utilizează indirect, energia solară acumulată în sol, apă sau aer.

Câteva dintre condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească sursa de căldură, pentru a putea fi utilizată de către pompele de căldură sunt următoarele:

- Disponibilitate în cantitate suficientă;

- Capacitate cât mai mare de a acumula căldură;

- Nivel cât mai ridicat de temperatură;

- Capacitate de regenerare suficient de mare;

- Posibilitate de captare în condiţii cât mai economice.

Sursele de căldură prezentate anterior, solul, apa şi aerul, satisfac toate aceste cerinţe, iar piaţa pompelor de căldură, utilizând toate aceste surse de căldură este actualmente în continuă creştere. În paragrafele următoare vor fi prezentate diverse pompe de căldură utilizând toate aceste tipuri de surse de căldură.

Solul reprezintă o sursă de căldură eficientă, deoarece acumulează căldură atât direct sub formă de radiaţie solară cât şi indirect de la ploi, respectiv de la aer. Căldura poate fi preluată cu ajutorul unor circuite intermediare plasate în sol, care absorb căldură şi o transmit vaporizatorului pompei de căldură.

Este posibilă şi amplasarea direct în sol a vaporizatorului pompei de căldură.

Circuitele intermediare de preluare a căldurii din sol, sunt compuse din schimbătoare de căldură, denumite colectori, pompe de circulare a agentului intermediar din aceste circuite, vas de expansiune, sistem de distribuţie a agentului intermediar în colectori, dispozitive de aerisire, etc.

Agentul intermediar din circuitele intermediare este reprezentat de soluţii apoase de tip antigel, iar majoritatea producătorilor recomandă diverse amestecuri ecologice de acest tip. Uneori pot fi utilizate şi soluţii de apă sărată, dar nu se poate utiliza apa simplă, deoarece pe timp de iarnă există pericolul ca apa să îngheţe, cel puţin în porţiunile de conducte aflate la suprafaţa solului, sau chiar în aer liber (chiar dacă sunt izolate). Dacă agentul intermediar ar îngheţa funcţionarea pompei de căldură ar deveni imposibilă.

Temperatura de îngheţ recomandată de majoritatea producătorilor pentru soluţiile de tip antigel utilizate în circuitul intermediar, este de –15°C.

Există două tipuri de colectori care pot fi utilizaţi în circuitele intermediare de preluare a căldurii din sol. În figura 2 sunt prezentaţi colectori orizontali, care se montează la adâncimi de cca. 1,2…1,5m, iar în figura 3 sunt prezentaţi colectori verticali, denumiţi şi sonde, care se montează în orificii practicate prin forare, la adîncimi de până la cca. 100m, peste aceste adâncimi fiind dificil de obţinut autorizaţii pentru realizarea forajelor.

Fig. 2. Colectori orizontali pentru captarea căldurii din sol

Fig. 3. Colectori verticali pentru captarea căldurii din sol

Pompe de caldura cu schimbatoare de caldura sol-apa plane

Se utilizeaza numai in situatia in care dispunem de spatiu suficient in jurul obiectivului pe care dorim sa-l incalzim cu o pompa de caldura

Puterea specifica de extragere a caldurii din sol este cuprinsa intre10W/mp si 50W/mp (sol uscat necompactat 10W/mp ; sol compact umed 20-30W/mp; sol ud nisip si pietris 40W/mp ). Schimbatorul de caldura SOL-APA este realizat din polietilena. Circuitul se ingroapa la 1-1.5m in sol, suprafata de pamint superioara captatoarelor putind fi cultivata. Pentru a se evita givrarea sistemului circuitul captatoarelor este umplut cu solutie antigel (glicol)

Avantajele sistemului: fiabil, simplu de realizat, investitie relativ mica, COP relativ ridicat.

Dezavantajul principal al sistemului este necesarul ridicat de spatiu si faptul ca nu poate fi amplasat pe orice sol. Pentru cresterea performantelor acestui sistem s-a propus utilizarea apei de ploaie pentru mentinerea in stare umeda a solului in care este inglobat schimbatorul (SISTEMUL AqaGeo-Kollektor utilizat la pompa de caldura cu captatoare plane STIEBEL-ELTRON) (fig. 5.)

Sistemul este relativ simplu si este compus dintr-o folie impermeabila ce este amplasata sub captatoarele plane si un sistem subteran controlat de distribuie a apei pluviale deasupra schimbatorului. Prin folosirea acestui sistem se poate realiza o captare foarte eficienta a caldurii pamantului de pana la 40W/mp ajungandu-se la micsorarea suprafetei de captare cu pana la 70% a captatoarelor plane. Sistemul influenteaza pozitiv vegetatia aflata deasupra.

Amplasarea colectorilor de sol sub forma unor colaci elicoidali reduce suprafaţa de teren necesară însă trebuie avut în vedere că aceeaşi cantitate de energie termică este extrasă de pe o suprafaţa mai redusă ceea ce poate avea consecinţe asupra orizontului de îngheţ, pe termen mediu şi lung.

Întrucât aceste sisteme cu buclă închisă sunt destinate să lucreze şi la temperaturi negative fluidul de transfer termic este un amestec de apă cu 20% propilen glicol, avînd punctul de îngheţ la -7,8 ⁰C; chiar dacă acest amestec reduce într-o oarecare măsură eficenţa instalaţiei condiţiile de funcţionare îl impun. Pentru a evita îngheţarea amstecului temperatura apei freatice va trebui să fie cu aproximativ 5…6 ⁰C mai caldă, adică de cca –2 ⁰C. De altfel scăderea temperaturii apei din sol atrage după sine înrăutăţirea performanţelor şi a eficienţei pompei termice: o scădere a temperaturii de la –1 ⁰C la –6,5 ⁰C conduce la o scădere a performanţei pompei termice cu 15%. În mod simetric, în perioada de funcţionare în regim de răcire o creştere a temperaturii de la 21 la 32 ⁰C va reduce performanţa instalaţiei cu cca 9%, iar a eficienţei cu 25%.

Pompe de caldura cu sonde de adincime (SAU verticale)

Se recomanda cand nu se dispune de spatiu suficient in jurul constructiei.

Forajele se pot executa pina la 250m. In general sondele de adincime se foreaza la 100m iar in cazul ca nu sunt conditii la 50m.

Puterea de extragere a caldurii cu sonde de adancime:

sedimente uscate: 30W/ml
ardezie basalt 55W/ml
piatra densa cu conductibilitate termica ridicata: 80W/ml
sol cu circulatie puternica a apei freatice: 100W/ml

Distanta dintre sonde este de minim 5m.

Puterea termică extrasă printr-un puţ se recomanda a fi de cca 7 …10, 5 kW. În fiecare puţ se introduce o conductă în formă de buclă U. Aceste bucle sunt conectate la conductele de colectare-distribuire plasate orizontal în şanţuri şi care fac legătura cu pompa termică amplasată în clădire. Conform normelor în vigoare (ISO-13256) temperatura standard a fluidului din buclele de colectare este pentru încălzire de 0 ⁰C iar pentru răcire de 25 ⁰C.

Adâncimea de forare depinde de puterea termică a pompei termice (fig.30).Pompele termice frecvent întâlnite pe piaţă sunt în gama de puteri 10…30 kW, fiind însă în continuă extindere. Preţurile de achiziţie a pompelor termice scad odată cu creşterea puterii acestora ( o pompă termică de 1,7 kW costă aproximativ 1000 $, iar una de 5 kW revine la un preţ cuprins între 2000 şi 3000 $, însă la puteri ce depăşesc 10 kW preţul poate ajunge la 4000…5000 $). Dacă supradimensionarea pompei termice conduce la funcţionarea ciclică exagerată a acesteia, subdimensionarea sa atrage consumuri suplimentare de combustibil pentru sistemul de încălzire auxiliar; acesta din urmă trebuie

dimensionat cu atenţie avînd în vedere temperatura medie a aerului din timpul iernii.

Folosirea PDC in cooperare cu izvoare geotermale de mare adancime, ce au temperaturi de mii de grade C ( aceste izvoare numindu-se si" izvoare de roca fierbinte") este posibila doar dupa ce acestea din urma au pierdut potentialul si au ajuns la temperaturi compatibile cu functionarea unei pompe de caldura.

Schema de principiu a unei instalatii de recuperare a caldurii din straturile de mare adancime (roca fierbinte) ale Pamantului si transformarea ei in energie electrica si energie termica de incalzire. Sistemul cu sonde verticale are acelasi principiu la baza cu cel al captatoarelor plane. Ca avantaje: fiabilitate ridicata, nu ocupa spatiu mare, COP ridicat (avind in vedere ca "sursa rece" este mai" calda" ca in cazul captatoatrelor plane), nu necesita aprobari speciale de mediu.

Dezavantaje: investitie mai mare, necesita utilaje speciale, personal bine pregatit in executia lucrarii. Sistemele cu pompe de caldura sol-apa care utilizeaza distributia caldurii si frigului in pereti printr-o retea de vase capilare, reuseste sa realizeze racirea pasiva .

Atât colectorii orizontali, cât şi cei verticali, sunt realizaţi din tuburi de polietilenă, care asigură o

durată foarte lungă de exploatare, absolut necesară acestor echipamente. Utilizarea unor colectori metalici în sol, care să reducă suprafaţa de schimb de căldură, nu este posibilă, datorită corozivităţii ridicate a solului, care ar distruge relativ rapid colectorii, iar înlocuirea acestora ar reprezenta o operaţie extrem de complexă şi costisitoare.

Colectorii orizontali, prezintă avantajul costurilor relativ reduse de realizare a excavaţiilor

necesare în vederea amplasării, mai ales în cazul unor construcţii noi, dar prezintă dezavantajul necesităţiiunor suprafeţe mari de amplasare a colectorilor, ceea ce reduce posibilitatea de utilizare a acestor tipuri decolectori, cel puţin în zonele urbane unde preţul terenurilor de construcţie este foarte ridicat şi unde dinacest motiv, suprafeţele disponibile sunt limitate.

Colectorii verticali, prezintă avantajul necesităţii unor suprafete reduse de amplasare, dar prezintă

dezavantajul costurilor ridicate de realizare a forajelor, cca. 80…100 Euro/m.

Amplasarea direct în sol a vaporizatorului pompei de căldură este posibilă în construcţii de tipul celei prezentate în figura 8:

Fig. 8 Amplasarea direct în sol a vaporizatorului pompei de căldură

Avantajul amplasării direct în sol a vaporizatorului pompei de căldură este reprezentat de eliminarea circuitului de agent intermediar, ceea ce permite reducerea diferenţei dintre temperatura de vaporizare şi temperatura solului, având ca efect îmbunătăţirea eficienţei pompei de căldură. În plus, este economisită energia necesară circulaţiei agentului intermediar.

Dezavantajele acestui sistem, sunt reprezentate de necesitatea unor cantităţi mai mari de agent frigorific, decât în cazul utilizării circuitului intermediar de preluare a căldurii din sol şi de prezenţa unor pierderi de presiune mai mari pe circuitul agentului frigorific. Vaporizatorul amplasat direct în sol, este realizat din ţevi de cupru cauciucat, pentru a se asigura protecţia anticorozivă faţă de sol. Diametrul acestor ţevi este mult mai redus decât al tuburilor din polietină, utilizaţi la construcţia colectorilor din circuitele intermediare prezentate anterior.

În figura 9 este prezentat modul în care poate fi utilizată apa freatică în pompele de căldură.

Fig. 39 Utilizarea apei freatice ca sursă de căldură

Apa freatică trebuie să se găsească la adâncimi relativ reduse, care să permită obţinerea autorizaţiei de foraj, adică maxim 50…70m. Se recomandă totuşi ca adâncimea de la care este preluată apa freatică, în cazul locuinţelor familiale, să nu depăşească 15m, pentru că la adâncimi mai mari cresc mult costurile pentru realizarea celor două foraje, precum şi costurile de exploatare datorate înălţimii ridicate de pompare a apei freatice. Distanţa dintre cele două puţuri trebuie să fie de minim 5m, iar

amplasarea astfel încât sensul de curgere a apei să fie dinspre puţul prin care este absorbită apa, spre cel în care este evacuată apa. Nu este posibilă utilizarea ca sursă de căldură, a apei din lacuri freatice, deoarece în acest caz există pericolul îngheţării apei în jurul sondelor, ceea ce împiedică funcţionarea pompei de căldură.

Dezavantajele utilizării apei freatice ca sursă de căldură, sunt reprezentate de faptul că este necesar să existe un debit suficient de mare al apei freatice, iar compoziţia chimică trebuie să se încadreze între limite bine precizate din punctul de vedere al unor componenţi cum sunt: carbonaţi acizi, sulfaţi, cloruri, amoniac, sulfit de sodiu, bioxid de carbon liber (extrem de agresiv), nitraţi, hidrogen sulfuraţi, etc.

Condiţiile prezentate, destul de restrictive, reduc sensibil posibilităţile de utilizare a apei freatice ca sursă de căldură.

Apa din lacuri şi râuri poate fi utilizată de asemenea ca sursă de căldură, dar este necesară utilizarea unui circuit intermediar şi trebuie evitată formarea de gheaţă pe colectorii amplasaţi în apă, deoarece gheaţa ar reduce mult intensitatea transferului termic dintre apă şi agentul intermediar din colectori.

Apa de mare este şi mai uşor de utilizat, deoarece la o adâncime de câţiva metri, nu se mai pune problema îngheţării acesteia, dar şi în cazul apei de mare, trebuie utilizat un circuit intermediar pentru preluarea căldurii.

Aerul reprezintă o sursă de căldură gratuită, disponibilă în cantităţi nelimitate. În pompele de căldură, se poate utiliza ca sursă de căldură doar aerul exterior, care este circulat prin tubulaturi cu ajutorul unui ventilator. În figura 10 este prezentată o pompă de căldură care absoarbe căldură de la aer şi încălzeşte apă, utilizabilă pentru încălzire, sau ca apă caldă menajeră. Aceste echipamente sunt denumite pompe de căldură aer-apă.

Fig. 10 Pompă de căldură aer-apă

Pompele de căldură aer-aer sunt cele mai răspândite şi sunt reprezentate de toate aparatele de condiţionarea aerului, care pot să realizeze atât răcire cât şi încălzire. În regim de încălzire, aceste echipamente funcţionează ca pompe de căldură aer-aer.

La scăderea temperaturii exterioare, eficienţa pompelor de căldură care utilizează aerul ca sursă de căldură, se reduce sensibil, ceea ce limitează posibilitatea utilizării acestor echipamente, la o perioadă de timp de maxim 70…80% din an, fiind indicată utilizarea combinată a acestora, împreună cu alte sisteme de încălzire. Pe de altă parte, în perioadele mai calde ale anului, primavara, vara şi toamna, când temperatura aerului este mai ridicată, aceste echipamente pot fi extrem de eficiente pentru prepararea apei calde menajere.

S.C. CLIMA THERM CENTER SRL IASI ofera sisteme care folosesc sursele de energie regenerabilă, nepoluante si anume :

SISTEME CU POMPE DE CALDURA

Pompa de caldura apa- apa
- VITOCAL 200 G (tip BW si BWC), 300 G (tip WW si WWC)– producator VIESSMANN GERMANIA – vezi fisa tehnica
- REHAU AQUA- producator REHAU GERMANIA- vezi fisa tehnica
Pompa de caldura sol- apa
- VITOCAL 222 G, VITOCAL 242 Gproducator VIESSMANN GERMANIA – vezi fisa tehnica ,
- VITOCAL 300 G,(tip BW si BWC) , 350 (tip BWH) – producator VIESSMANN GERMANIA – vezi fisa tehnica ,
- REHAU GEO- producator REHAU GERMANIA- vezi fisa tehnica

Pompa de caldura aer- apa
- VITOCAL 300 A,(tip AWC-I si AW-O) , 350 (tip AWC si AWO) – producator VIESSMANN GERMANIA – vezi fisa tehnica
- ALTHERMA – producator DAIKIN JAPONIA – vezi fisa tehnica

Noutati

Termice

Sisteme cu pompe de caldura