Pompele de căldură,

soluţie modernă de climatizare a locuinţelor

prof.Telespan Georgeta

Instalaţiile de climatizare cu pompe de căldură folosesc energia termică înmagazinată în scoarţa pământului sau in apele freatice.Temperatura constanta a pământului la o adâncime mai mare de 1,5m (10-12°C) indiferent de temperatura exterioara, da posibilitatea pompei de căldura sa funcţioneze cu o eficienţă energetica destul de buna. Coeficientul de performanta (COP) se refera la raportul dintre energia cedata sistemului interior si cea consumata. Astfel acest sistem poate fi mai eficient decât sistemele convenţionale de încălzire (centrale pe gaze, centrale electrice, centrale pe combustibili solizi) sau cele de răcire (aer condiţionat).
Acest coeficient de performanta este de obicei intre 4 si 6.In momentul de faţă, aceste instalaţii de climatizare sunt foarte răspândite in lume datorita avantajelor pe care le oferă (nepoluante, nu exista pericol de explozie, nu exista pericol de intoxicare, nu necesita o întreţinere speciala ca instalaţiile pe gaz sau combustibili solizi, nu necesita existenta unui coş de evacuare, nu necesita existenta unei camere special amenajate pentru funcţionare, etc.).
Singurul dezavantaj al sistemului este investiţia iniţiala mai mare, dar având in vedere costurile mici de funcţionare, investiţia se amortizează destul de repede.Studiul comparativ de consum si costurile de funcţionare pentru un necesar de încălzire de 24kWh sunt in funcţie de tipul centralei folosite:

 In afara de costurile lunare de consum trebuie luate in calcul si următoarele aspecte:

Sistemele cele mai frecvent folosite sunt: aer-aer, apa-aer, aer-apa si apa-apa. Dintre aceste sisteme cel mai folosit este cel apa-apa deoarece poate fi folosit in zonele cu variaţie mare a temperaturii exterioare. Sistemul apa-apa poate fi instalat in 3 variante: cu 2 puţuri (circuit deschis, un put din care se absoarbe apa din pânza freatica si celalalt pentru a deversa apa după ce a trecut prin pompa de căldura), cu serpentina orizontala (circuit închis, fără impact asupra mediului ambiant dar necesita suprafaţa de teren mai mare pentru amplasare) si cu serpentina verticala (circuit închis, fără impact asupra mediului ambiant, necesita foraje mai mici in care se introduc serpentinele si nu necesita o suprafaţa mare de teren).

Principiu de funcţionare
Principiul de funcţionare este similar cu cel al frigiderului sau aparatului de producere a aerului condiţionat. Pompa de căldura primeşte energia acumulata in pământ sau din apa din pânza freatica si o cedează cu ajutorul energiei electrice către circuitul de încălzire al casei. Elementul esenţial in procesul de captare si cedare a energiei este agentul frigorific din circuitul interior al pompei de căldura. Acesta are proprietatea de a trece din stare lichida in stare de vapori reci la temperaturi scăzute si invers când funcţionează ca instalaţie de răcire. Orice pompa de căldura este compusa dintr-un compresor si doua schimbătoare de căldura (condensator si vaporizator). Noutatea acestui sistem este ca schimbătoarele de căldura îsi pot schimba rolul (din vaporizator in condensator si invers) pentru încălzirea sau răcirea spaţiului de locuit sau a birourilor. Atât condensatorul cat si vaporizatorul prezintă un grad foarte mare de transfer termic. Folosirea aceluiaşi tip de schimbător de căldura cu coeficient mare de transfer termic si in circuitul secundar al pompei de căldura, reduce diferenţa dintre temperatura de condensare si cea de evaporare, rezultând o creştere a COP (coeficient de performanta).

A ECONOMISI ENERGIE
             
Ce face o pompa de căldura ?
- Pompa de căldura comprima un gaz, care devine fierbinte, ca mai apoi când acesta se răceşte si presiunea scade, se condensează, revenind astfel la forma iniţiala (lichid).
- Când lichidul trece printr-un orificiu mic, presiunea coboară si începe din nou sa fiarbă in evaporator, când acesta primeşte un impuls de câteva grade diferenţa.
- In timpul fierberii gazul captează energia de câteva grade adusa din pământ sau atmosfera, aşa ca evaporatorul va deveni rece.
- Când gazul este comprimat din nou si apoi răcit, de exemplu (de apa din calorifere), circuitul este închis si casa este alimentata cu aceasta energie care a câştigat-o din evaporare plus energia obţinuta prin comprimarea gazului. Aceasta energie este preluata de apa din calorifere si transportata in interiorul casei.
- In acest proces compresorul este cel care lucrează, consumând energie electrica in proporţie de 25% din totalul de energie pe care o produce.
- Procentul de energie consumata, in raport cu energia obţinuta, poate fi influenţata de energia gratuita care se obţine din pământ sau atmosfera.
- De aceea este important ca sa căutam sursa de energie regenerabila, care ne poate oferi cel mai mare factor de căldura, pentru a putea obţine o eficienta maxima.
La ora actuala se exploatează energia geotermala, care poate fi captata sub diferite forme.

Doresc sa prezint formele cele mai frecvent folosite si economia obţinuta prin acestea:

1. Captarea energiei geotermale din roca, prin puţuri de mare adâncime
Cum se obţine aceasta energie ?
• Este nevoie de un puţ (sau mai multe in cazul pompelor de capacitate mare) cu apa, cu adâncimea efectiva de c.a. 100m pentru ca sa se poata obtine o economie de 10000 kWh. (orice combustibil fosil, poate fi convertit in KWh, pentru a putea face o comparaţie).
• Daca îngheţam un litru de apa, prin acest fenomen obţinem c. a. 80 calorii ceea ce înseamnă 80/0,86 = 93Wh, de aceea este nevoie de c. a. 100m3 de gheata pentru a obţine 9300 KWh economie. Toate economiile peste 100 KW/m de put activ, urca riscul de îngheţare. Puţul de mare adâncime îl putem compara cu un rezervor de motorina, care se umple odată pe an (in timpul verii, când pământul înmagazinează energia solara). Daca adâncimea puţului este prea mica (subdimensionat), roca sau pământul din jurul puţului, nu reuşeşte sa se regenereze (sa se încarce cu energie); in acest caz factorul de energie va scădea si exista riscul de îngheţ permanent.

2. Captarea energiei geotermale din pânza freatica, prin doua puţuri
Cum se obţine aceasta energie ?
• Este necesar ca apa sa curgă continuu dintr-un puţ in altul, minim 600 de litri pe ora (pentru o pompa de căldura mai mica cu un compresor de 1 – 2 cai putere.
• Apa trebuie sa curgă înapoi in pământ de regula, ceea ce de multe ori creaza probleme.
• Deasemenea sistemul trebuie prevăzut cu un schimbător de căldura, care la rândul sau trebuie curătat, daca apa este bogata in săruri sau piatra.

3. Captarea energie geotermale din scoarţa terestra, prin îngroparea unui furtun colector.
Cum se obţine aceasta energie ?
• Pentru a capta energia înmagazinata in scoarţa terestra, este nevoie sa se introducă un furtun colector in pământ, săpând tranşee la minim 1m adâncime (sub limita de îngheţ) si cu o distanta de c. a. 1m intre spire.
• Pentru a evita îngheţarea solului si pentru a compensa 10000 KW, este necesar o suprafaţa de pământ de 100m2 si deasemenea 100m de furtun colector (polietilena de Ø40 – PN6).

4. Captarea energiei din aer
Cum se obţine aceasta energie ?
• Pentru a capta energia din temperatura aerului, este nevoie de o pompa de căldura aer-apa, care are in interiorul ei un radiator si un ventilator.
Ventilatorul sufla temperatura aerului din atmosfera pe radiatorul montat in fata, iar acesta transfera energia captata către modulul de răcire, care funcţionează la fel ca cel de la pompele apa-apa, specificat la începutul acestui articol.
• Acest sistem mai are nevoie si de un sistem de dezgheţare a radiatorului, in urma funcţionarii îndelungate, deoarece se formează gheata pe radiator.
• Acest sistem de dezgheţare este prevăzut cu o rezistenta electrica, iar aceasta porneşte automat când senzorul de pe radiator comunica prezenta gheţii.
• Daca sistemul nu este prevăzut cu rezistenta electrica, sau daca rezistenta este decuplata, atunci dezgheţarea se va produce prin luare căldurii din casa, pentru a ajuta la dezgheţare.

5. Captarea energiei din aer cu ajutorul unui stâlp de gheata
Cum se obţine aceasta energie ?
• Acest sistem este mai simplu si mult mai practic pentru a obţine economie la încălzirea locuinţei.
• Deasemenea ,cu acest sistem se evita problemele ecologice si multele probleme cu forajele sau sapaturile, care sunt o problema pentru spatii reduse.
• Se va evita problema îngheţării permanente a solului
• Dispar alte probleme – cum ar fi: zgomotul de la ventilator, consumul de curent pentru dezgheţarea radiatorului, etc...
Ce este încălzirea cu gheata ?
• Este nevoie de o suprafaţa mare, pe care sa se formeze gheata.
• Când umiditatea din aer este transformata in chiciura (promoroaca), aceasta cedează 628 Wh energie (căldura) si inga 93 Wh la îngheţare la fiecare kg de apa.
Din 1,4 kg chiciura obţinuta, stâlpul de gheata cedează 1kWh energie (căldura).
Ce este stâlpul de gheata ?
• Este o sculptura de gheata unde suprafaţa de condensatei este mărita.
• Un stâlp format din nişte profile de aluminiu, care măresc foarte mult suprafaţa de condensatei.
• Îmbina arta cu tehnica.
• Un agregat livrat complet din fabrica.
• Propan (normal) folosit ca refrigerant. Propanul are punctul de fierbere la -42°C
• Nici o problema cu zgomotul.
• Se cuplează direct la sistemul de radiatoare (dimensionate corespunzător), sau pardoseala.
• Un singur component care este flexibil – compresorul.