Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2 [631219]
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
1
SISTEME CU P OMPE DE CĂLDURĂ
AVÂND SURSĂ SUBTERANĂ
Rezumat
Capitolul 2 se compune din 7 subcapitole, care se referă la prezentarea generală a pompelor de
căldură, definirea și aprofundarea noțiunilor legate de instalațiil e cu pompă de căldură cu sursă subterană, și o
inventariere a acestora . În finalul capitolului se prezintă caracteristicile a două sisteme cu PCSS care vor fi
analizate pe parcursul întregii teze de doctorat.
În paragraful 2.1 se prezintă principiul de funcționare a pompelor de căldură, o clasificare a
acestora, precum și o analiză a surselor de căldură necesare bunei funcționări a pompelor de căldură cu
definirea pompei de căldură cu sursă subterană.
Din cauza faptului că în România tehnologia cu pompe de căldură cu sursă subterană este puțin
cunoscută, nu există, încă, format un vocabular tehnic special destinat acestor instalații. În pragraful 2.2 se face
o sinteză a termenilor uzual folosiți în țările în care această tehnologie nouă a pătruns, subliniindu -se
diferențele de exprimare între stat ele europene și SUA.
Pentru a putea observa dezvoltarea pe care au avut -o instalații le cu PCSS de -a lungul anilor, în
paragraful 2.3 se ilustrează începuturile utilizării părții superioare a solului drept sursă rece pentru pompele de
căldură.
Un sistem cu pompă de căldură cu sursă subterană cuprinde trei subsisteme : cel al sursei de căldură,
cel al pompei de căldură și cel al consumatorului , care sunt analizate în detaliu în paragraful 2.4. Un accent
deosebit s -a pus pe subsistemul geotermal – subsistemul sursei de căldură (subparagraful 2.4.1 ); făcându -se o
cercetare bibliografică exhaustivă s-au prezenta t toate modalitățile de exploatare a acesteia folosite în practică
la ora actuală.
În continuare s -a prezentat o analiză a dinamicii implementării sistemelor cu pompă de căldură cu
sursă subterană , atât la nivelul întregului mapamond (paragraful 2.5), cât și în țara noastră (paragraful 2.6),
evidențiindu -se tendințele .
În paragraful 2.7 au fost definite două sisteme cu PC cu SCS vertical, care vor fi studiate în toate
capitolele următoa re, iar la finele capitolului sunt redate concluziile tematicii abordate și tratate .
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
2
CAPITOLUL 2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 1
2.1 GENERALITĂȚI ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 3
2.1.1 Clasificarea pompelor de căldură ………………………….. ………………………….. ……………….. 3
2.1.2 Surse de căldură pentru pompele de căldură ………………………….. ………………………….. … 5
2.1.3 Pompe de căldură cu sursă subterană ………………………….. ………………………….. …………. 8
2.2 SINTEZĂ ASUPRA TERMIN OLOGIEI FOLOSITE ………………………….. ………………………….. ……….. 10
2.3 SCURT ISTORIC ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 12
2.4 ELEMENTELE UNUI SISTE M CU POMPĂ DE CĂLDUR Ă CU SURSĂ SUBTERANĂ ……………………… 15
2.4.1 Subsistemul sursă de căldură geotermală ………………………….. ………………………….. …… 16
2.4.1.1 Tipuri de schimbătoare de căldură subterane folosite de pompele de căldură geote rmale ….. 16
2.4.1.2 Stadiul actual de dezvoltare a schimbătoarelor de căldură subterane ………………………….. ….. 27
2.4.2 Subsistemul agregatului de pompă de căldură folosit în instalațiile de pompe de căldură
cu sursă subterană ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 35
2.4.2.1 Compresoarele ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 36
2.4.2.2 Agenții frigorifici ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 39
2.4.2.3 Vaporizatoarele și condensatoarele ………………………….. ………………………….. …………………… 40
2.4.3 Moduri de distribuire a căldurii/frigului în instalațiile de pompe de căldură cu sursă
subterană ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 46
2.5 SITUAȚIA CURENTĂ PE P LAN MONDIAL PRIVIND UTILIZAREA PCSS ………………………….. …….. 49
2.6 STADIUL ACTUAL DE UTI LIZARE ÎN ROMÂNIA ………………………….. ………………………….. ……… 53
2.7 SISTEMELE CU PCSS SUPUSE CERCETĂRII ………………………….. ………………………….. …………… 55
2.7.1 Sistemul cu PCSS numărul 1 ………………………….. ………………………….. …………………….. 55
2.7.2 Sistemul cu PCSS numărul 2 ………………………….. ………………………….. …………………….. 57
2.8 CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 58
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
3 2.1 Generalități
O soluție rațională de utilizare a căldurii de joasă entalpie este cea a valorificării
imenselor cantități de energie termic ă ce pot fi preluate din mediul ambiant, de la purtătorii de
energie cu temperaturi inferioare celor impuse de consumatori [23]. Aplicarea unei asemenea
soluții, însă, nu se poate face decât prin i ntermediul unei instalații care, pentru a realiza un
transfer de căldură în sens contrar celui natural, consumă din exterior o anumită cantitate de
energie. O astfel de instalație poartă denumirea de pompă de căldură sau pompă termică .
Avantajul utilizării pompelor de căldură îl reprezintă faptul că energia consumată este de
câteva ori mai mică decât cea reprezentată de transferul de căldură între cele două medii.
În principiu, într -o astfel de in stalație ( fig. 2.1) un anumit agent este pus în contact
periodic cu cele două medii de temperaturi diferite între care trebuie realizat schimbul de
căldură. Procesul este astfel condus, încât agentul preia căldura Q a de la mediul cu
temperatura mai coborâtă (de exemplu, temperatura mediului ambiant sau a solului) ș i apoi,
ridicându -și potențialul termic prin tr-un procedeu termodinamic corespunzător (în care este
implicat consumul de energie din exterior), cedează căldura Q mediului cu temperatura mai
ridicată. [44]
Fig. 2.1 – Schematizarea principiului de funcționare a unei pompe de căldură
Notând cu L lucrul mecanic consumat pentru realizarea transferului de căldură de la
mediul cu temperatură mai mică la cel cu temperatură mai mare, bilanțul de energie al
instalației se poate exprima astfel:
L QQa
(2.1)
2.1.1 Clasificarea pompelor de căldură
În literatura de specialitate sunt cunoscute mai multe puncte de vedere în funcție de
care se pot clasifica instalațiile de pompe de căldură. Din păcate, nu se poate face o clasificare
completă și riguroasă a acestora, din cauza faptului că există o varie tate foarte mare de tipuri
constructive și de condiții de funcționare. Totuși, putem face următoarea categorisire [44]:
a) În funcție de procesul termodinamic care stă l a baza realizării ciclului există :
pompe de căldură cu comprimare mecanică de vapori;
pompe de căldură cu comprimare mecanică de gaze;
pompe de căldură cu absorbție;
pompe de căldură cu ejecție de abur;
pompe de căldură termoelectrice;
PC
Ta< TLQ
QaT
Ta
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
4 b) În funcție de puterea instalată , instalațiile de pompe de căldură pot fi:
instalații mici – folosite, de obicei, pentru prepararea apei calde și care se
realizează de cele mai multe ori în combinație cu frigiderele, având o putere de
până la 1 kW;
instalații mijlocii – destinate, în principal, încălzirii și climatizării, pe întreaga
durată a anului, în locuințe și birouri. Puterea necesară funcționării instalației
este cuprinsă între 2 – 20 kW, iar puterea termică atinge 100 kW ( aproximativ
100.000 kcal/h);
instalații ma ri – pentru condiționare sau alimentare cu căldură. Astfel de
instalații sunt cuplate, de regulă, cu instalații de ventilație, de multe ori având și
sarcină frigorifică, servind la răcirea unor spații de depozitare sau deservind
patinoare artificiale. Pute rea necesară acționării este de ordinul zecilor și sutelor
de kW, iar puterea termică depășește, în general, 1.000 kW ( aproximativ
1 Gcal/h);
instalații foarte mari – la care puterile instalate ating câteva mii de kW. Cazul
acesta se întâlnește mai des în instalațiile de vaporizare, concentrare și distilare a
diferitelor soluții din industria chimică și farmaceutică. Însă, din cauza debitelor
foarte mari vehiculate, aceste tipuri de instalații sunt echipate doar cu
turbocompresoare;
c) În funcție de tipul surselor de căldură utilizate, se întâlnesc:
pompe de căldură aer -aer – au ca sursă de căldură aerul atmosferic și folosesc
aerul ca agent purtător de căldură în clădirea în care sunt montate. La acest tip de
instalații, inversarea ciclului este foarte ușoară, astfel încât în sezonul rece
instalația este utilizată pentru încălzirea clădirii, iar în sezonul cald pentru
răcirea acesteia;
pompe de căldură apă -aer – folosesc drept sursă de căldură apele de suprafață
sau de adâncime, apele calde evacuate de industri e sau apele folosite în circuitele
de răcire industriale, agentul purtător de căldură fiind aerul;
pompe de căldură aer -apă – se folosesc în special în clădirile mari și foarte mari,
în care caz se utilizează ca sursă de căldură aerul atmosferic, iar ca pu rtător de
căldură în clădire, pentru ușurința reglării, apa;
pompe de căldură apă -apă – folosesc drept sursă de căldură apele de adâncime,
de suprafață sau apele calde evacuate din diversele procese industriale sau
canalizări, iar ca agent purtător de căld ură, apa;
pompe de căldură sol -aer sau sol -apă – folosesc pământul ca sursă de căldură, iar
ca purtător de căldură aerul sau apa;
pompe de căldură solă -aer sau solă -apă – folosesc o soluție antigel (de obicei,
etilen -glicol) care preia căldura de la o surs ă oarecare de căldură (apă de
adâncime, apă de suprafață, pământ), iar ca purtător de căldură aerul sau apa;
pompe de căldură soare -aer sau soare -apă – utilizează drept sursă de căldură
energia termică primită prin radiație de la soare, iar ca purtător de căldură, aerul
sau apa;
d) În funcție de scopul utilizării , instalațiile de pompe de căldură pot fi clasificate în:
instalații combinate pentru producerea simultană a frigului și a căldurii – sunt
destinate răcirii unor spații sau materiale (de exemplu, a ape i), precum și
încălzirii – în același timp – a unor încăperi sau pentru prepararea apei calde. La
astfel de instalații, reglarea funcționării se face în funcție de sarcina frigorifică
sau termică, după cum una sau alta este determinantă. Datorită faptului că apare
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
5 o variație în timp a condițiilor de funcționare, ele sunt cuplate adesea cu
acumulatoare de căldură (în general, acumulatoare de apă caldă);
instalații destinate recupe rării căldurii disponibile în surse energetice secundare
sau cu potențial termi c redus – se pot integra cu ușurință în numeroase instalații
tehnologice cu caracter termic (uscătorii, spălătorii etc.);
instalații pentru alimentarea cu căldură – folosesc căldura preluată din mediul
ambiant (aer atmosferic, sol, apă de râu, lac sau mare etc.), având puteri medii și
mari și fiind destinate alimentării cu căldură a locuințelor, birourilor, halelor
industriale. De obicei, aceste instalații funcționează în regim reversibil, adică
vara – ca instalații de răcire și condiționare a aerului, iar iarna – ca instalații de
încălzire, fiind cuplate cu instalații de ventilare;
instalații cu destinații speciale – adică instalații pentru desalinizarea apei de mare
și prepararea apei potabile. Se folosesc instalații de pompe de căldură de diverse
puteri, de la cele mici (utilizate pe mare) și care produc câțiva litri pe secundă, la
cele foarte mari.
2.1.2 Surse de căldură pentru pompele de căldură
Pompa de căldură este o instalație care necesită cuplarea și conlucrarea unei surse de
căldură de joasă entalpie cu un consumator de căldură, care necesită un nivel termic relativ
mai ridicat. Așa cum rezultă din cele prezentate anterior, acestea sunt numite sursă rece ,
respectiv sursă caldă ale unei instalații cu pompe de căldură. Performanțele de funcționare,
precum și economicitatea pompei de căldură depind, în mod hotărâtor, de așa -numita înălțime
de pompare a căldurii, care reprezintă diferența dintre temperaturile celor două surse. Rezultă
că sursa de căldură reprezintă o componentă ale cărei caracteristici se ref lectă direct în
valoarea coeficientului de performanță teoretic și, cu mai mare pregnanță, în cea a
coeficientului real al pompei de căldură (COP PC).
Realizarea unei astfel de instalații de alimentare cu căldură impune satisfacerea mai
multor condiții, și anume:
existența, în același loc sau în locuri imediat învecinate, a unei surse gratuite de căldură
de potențial termic scăzut și a unui consumator de căldură care necesită temperatură
moderată;
căldura disponibilă la sursă să fie egală sau mai mare decât cea necesară consumatorului;
existența simultană sau cu mici decalaje în timp, a sursei de căldură și a consumului.
În general, din condițiile de competitivitate rezultă că utilizarea pompelor de căldură
este oportună pentru alimentarea cu căldură a clădir ilor și pentru prepararea apei calde
menajere. În acest caz, temperatura la sursa caldă (temperatura de condensare) este dictată de
nivelul necesar consumatorului. De aceea, trebuie căutate moduri de alimentare cu căldură
care – pentru a conduce la o econo micitate maximă – necesită pe cât posibil, nivele de
temperatură mai scăzute decât cele practicate în mod curent. Astfel, sunt indicate sistemele de
încălzire a clădirilor prin pardoseală sau cu aer cald sau utilizarea unor corpuri de încălzire
clasice, da r care să aibă caracteristici termodinamice îmbunătățite.
Deoarece necesarul de căldură al unei clădiri creșt e odată cu scăderea temperaturii
exterioare, este necesară ridicarea temperaturii pe circuitul de alimentare cu căldură și, în
consecință, coeficie ntul de performanță și economicitatea pompei de căldură pot lua valori
nefavorabile.
Având în vedere varietatea consumatorilor de căldură, s -a dezvoltat și o gamă
corespunzătoare de sisteme de alimentare cu căldură. Astfel, în țările vestice, marea majori tate
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
6 a consumatorilor de căldură este reprezentată de casele familiale alimentate cu căldură
individual cu centrale termice de apartament, de scară sau de bloc funcționând pe combustibili
clasici. Pentru clădirile sociale mari (clădiri administrative, bănc i, centre culturale și de
divertisment) se livrează căldura prin sistemul de alimentare cu aer din centrale termice.
În țările estice s -au dezvoltat sisteme centralizate de alimentare cu căldură și, în
special, de la centrale electrice de termoficare.
Față de aceste tipuri de consumatori și sisteme de alimentare cu căldură, sursele de
căldură naturale par a fi cele mai indicate pentru alimentarea cu căldură a consumatorilor
individuali sau comuni, dar de mărime mică, iar pentru consumatorii din cvartalele u rbane sau
cei industriali sunt recomandate instalații cu pompe de căldură a căror sursă de căldură o
reprezintă deșeu termic al unor procese industriale ce se desfășoară în apropierea lor sau din
sursă geotermală. Astfel, sursele de căldură se pot diferenț ia în:
surse de căldură naturale – dependente mai mult sau mai puțin de temperatura exterioară;
surse de căldură deșeu – provenite din deșeul termic al unor procese industriale.
Prin surse naturale de căldură se înțeleg toate sursele de căldură ce pot fi g ăsite și
utilizate direct sau indirect din natură. Cu excepția surselor de căldură geotermală, toate
celelalte au o variație a temperaturii cu cea atmosferică.
Sursele de căldură naturale se folosesc la alimentarea cu căldură pentru prepararea
apei calde m enajere și pentru încălzirea spațiilor. Ca surse de căldură disponibile se pot
menționa:
aerul exterior sau cel uzat;
apa freatică, cea de suprafață, cea din rețelele de apă ale comunității locale, cea
din surse hidrogeotermice, cea uzată etc.
solul;
radiația solară.
A. Aerul
Din punct de vedere al disponibilității în timp și spațiu, aerul constituie o sursă de
căldură favorabilă, dar coeficientul de performanță al pompei de căldură variază cu diferența
de temperatură între vaporizator și condensator, dependența fiind invers proporțională.
Un dezavantaj important al pompelor de căldură ce folosesc drept sursă de căldură
aerul exterior este strânsa dependență a sarcinii termice de temperatura de vaporizare. De
aceea, la scăderea temperaturii exterioare nec esarul de căldură crește și, deci, crește și
înălțimea de pompare a căldurii , influențând negativ coeficientul de performanță.
Un alt dezavantaj al aerului exterior ca sursă de căldură este brumarea (givrarea)
vaporizatorului, fenomen ce are drept consecin țe diminuarea drastică a schimbului de căldură,
precum și creșterea rezistenței de trecere a aerului prin vaporizator.
Deoarece amplasarea vaporizatoarelor se face în interiorul clădirilor (pivnițe, poduri)
sau în imediata lor apropiere este necesară preve derea unei bune izolații fonice a zgomotului
ventilatorului.
Din cele prezentate mai sus rezultă că aerul este o sursă de căldură economică pentru
zonele climatice care nu depășesc 2 .500 grad e-zile, deci în care iarna este lungă și blândă.
Astfel de condiții sunt îndeplinite de țările din nord -vestul Europei, care au o climă
continental oceanică.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
7 B. Apa
Apa reprezintă cea mai bună sursă de căldură, luând în considerare marea ei
capacitate termică și foarte bunele ei caracteristici de transfer al căldurii . În continuare, se vor
prezenta diversele surse de căldură sub formă de apă.
Apa freatică
Orizontul acvifer freatic se întâlnește la o adâncime de (5 10) m. Are o temperatură
aproximativ egală cu temperatura medie anuală a aerului exterior, fiind deci f oarte uniformă,
fapt pentru care este considerată o bună sursă de căldură, chiar și în timpul iernii. De obicei,
apa freatică este adusă la suprafață prin pompare dintr -o fântână sau dintr -un puț forat. Pentru
ca nivelul pânzei freatice să nu scadă prea ta re se obișnuiește reintroducerea apei extrase, prin
săparea unui al doilea puț care trebuie situat în aval față de puțul de preluare, în direcția de
curgere a apei freatice.
Instalația cu puțuri suferă de marele dezavantaj că, în timp, caracteristicile puț urilor
se degradează, producându -se așa -numita îmbătrânire a puțurilor, care este favorizată de
următorii factori: înnisiparea, coroziunea, colmatarea etc. Un alt factor important, care poate
influența negativ buna funcționare a instalației, îl reprezintă chimismul apelor, în special pH –
ul și conținutul de minerale dizolvate.
Apa de suprafață
Din păcate, temperatura apelor de suprafață variază sensibil cu temperatura
exterioară, de aceea, pentru utilizarea lor drept sursă de căldură pentru o pompă termică,
aceasta trebuie prevăzută cu o instalație de vârf, care să asigure întreg necesarul de căldură
pentru perioada în care apa este înghețată.
De asemenea, calitatea și puritatea apelor de suprafață fac ca schimbătoarele de
căldură folosite să necesite des cur ățare, fapt ce duce la creșterea cheltuielilor de exploatare.
C. Solul
Solul reprezintă o bună sursă de căldură, având în vedere temperatura lui constantă
(la adâncimi mai mari de 3 m), capacitatea lui disponibilă și posibilitățile de acumulare în
spațiu și timp. Cercetările efectuate au avut în vedere realizarea schimbătoarelor de căldură în
sol și determinarea fluxului de căldură din sol (cu sau fără schimbător de căldură), precum și a
factorilor de care depind acestea, în special variația funcție de evoluț ia temperaturii la
suprafață. [19]
Factorii cei mai importanți care caracterizează din punct de vedere termic solul sunt:
conductivitatea termică, densitatea și căldura specifică. De asemenea, umiditatea reprezintă o
caracteri stică importantă a solului, care influențează mult procesul de transfer de căldură.
Pentru realizarea schimbătorului de căldură subteran se identifică trei direcții de
dezvoltare: pozarea de conducte pe orizontală, utilizarea de puțuri verticale în care s e introduc
conductele prin care circulă fluidul antigel sau pozarea conductei în formă spirală. Cele trei
moduri se vor trata în amănunțime în paragrafele următo are.
Marele avantaj pe care îl are utilizarea solului ca sursă de căldură pentru pompele
termic e îl reprezintă faptul că temperatura acestuia este independentă de cea atmosferică,
precum și faptul că nu are o capacitate minimă la mijlocul iernii , atunci când cererea de
căldură este maximă .
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
8 D. Radiația solară
Sursele de căldură naturale prezentate până acum reprezintă surse al căror izvor este
energia solară, reprezentând astfel utilizarea ei prin inter mediul unor anumiți agenți. Dar este
posibilă și utilizarea directă, nemijlocită, a energiei solare ca sursă de căldură pentru o pompă
termică.
În arealu l geografic al țării noastre, energia solară are o densitate mică (comparativ
cu cantitatea în care este ea disponibilă), precum și o instabilitate în timp a disponibilității
acesteia, fapt ce duce la o utilizare dificilă și costisitoare [44].
2.1.3 Pompe de căldură cu sursă subterană
Resursele geotermale de mică adâncime (până la 400 m, conform legislației din unele
țări[1]) sunt omniprezente. Tot c eea ce este sub adâncimea de 15 ÷ 20 m poartă numele de
geotermal (fig. 2.2 ). Câmpul de temperaturi este dat de fluxul de căldură terestru și de
mărimea coeficientului de conductivitate termică a solului sau de debitul de apă subterană. În
unele țări, toată energia stocată sub formă de căldură în scoarța terestră este, prin definiție,
percepută ca energie geotermală [12].
Fig. 2.2 – Energia geotermală și câmpul de temperaturi la adâncimi relativ mici
Conținutul energetic al omniprezentei resurse geotermale de mică adâncime poate fi
exploatat , fie prin extragerea apei subterane, fie – în cele mai frecvente cazuri – printr -o
circulație artificială a unui fluid în interiorul unui schimbător de căldură plasat în subteran.
Aceasta înseamnă că transferul de căldură se face doar prin conduc ție, nefiind necesară
prezența unor formațiuni lichide.
Pompele de căldură geotermale, cunoscute și sub denumirea de pompe de căldură cu
sursă subterană (PCSS) , sunt echipamente ce utilizează în mod eficient energia termică
regenerabilă a solului și care c âștigă o încredere din ce în ce mai mare, atât în domeniul
rezidențial, cât și în cel comercial. Pompele de căldură geotermale pot fi folosite pentru
încălzirea și răcirea spațiilor și pentru prepararea apei calde de consum menajer. Marele lor
avantaj este că funcționează prin concentrarea căldurii existente în mod natural, în locul
producerii acestei călduri prin arderea combustibililor fosili.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
9 Această tehnologie modernă se bazează pe faptul că solul (la o adâncime mai mare
de 15 m) rămâne la o temperatură relativ constantă pe toată perioada anului, fiind mai cald
decât aerul atmosferic în timpul iernii și mai rece decât acesta în timpul verii (asemănător cu
cel dintr -o peșteră). Pompa de căldură cu sursă subterană profită de acest avantaj prin
transferarea căldurii – înmagazinate în rocă sau în apa subterană – unui spațiu de încălzit în
timpul iernii și prin transferarea căldurii afară din respectivul spațiu, înapoi în sol, în timpul
verii. Cu alte cuvinte, solul acționează ca o sursă de căldură în timpul i ernii și ca o sursă de
frig în timpul verii.
Sistemele ce utilizează instalațiile de pompe de căldură cu sursă subterană de căldură
cuprinde trei elemente componente principale ( fig 2.3 ) [52]:
subsistemul geotermal (conducte subterane);
subsistemul agregatului de pompă de căldură;
subsistemul de distribuție a căldurii /frigului (instalația interioară).
Fig. 2.3 – Reprezentare schematică a unei instalații de pompă de căldură cu schimbător
subteran
a) Conductele subterane
Pentru a putea folosi solul drept sursă de căldură/frig este necesară îngroparea unor
conducte înseriate, denumite uzual „bucle”, în imediata aprop iere a spațiului care trebuie
condiționat. Bucla poate fi îngropată fie orizontal, fie vertical. În interiorul ei circulă un fluid
(apă sau amestec de apă cu antigel) care absoarbe/evacuează căldura din/în straturile de rocă
care o înconjoară, funcție de t emperatura aerului atmosferic (mai rece sau mai cald decât
solul).
b) Agregatul de pompă de căldură
Pentru încălzire, pompa de căldură extrage căldura din fluidul care circulă prin
conductele subterane, o concentrează, iar apoi o transferă clădirii. Pentru ră cire, procesul este
inversat.
c) Distribuția căldurii
Instalația interioară de distribuție este constituită din conducte obișnuite prin care
trece apa sau aerul cald/rece și din corpuri de încălzire (panouri radiante, planșee încălzite,
convectoare cu ventila ție forțată etc.).
Pompa de căldură
Sistemul de încălzireSchimbătorul de căldură îngropat
50 – 100 m
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
10 d) Apă caldă menajeră
Pe lângă condiționarea spațiilor, pompele de căldură cu sursă subterană pot furniza și
căldura necesară preparării apei calde menajere. Pentru aceasta este necesară montarea unui
echipament numit „ desupraîncălzitor ”, care preia excesul de căldură produs de compresorul
pompei de căldură și o transferă apei reci, încălzind -o. Acest echipament are dezavantajul de a
produce apă caldă doar atunci când pompa de căldură funcționează. Deci, pe perioada
primăverii și a toamnei p roducerea de apă caldă menajeră din această sursă NU este asigurată.
Totuși, datorită faptului că pompele de căldură geotermale s -au dovedit mult mai eficiente
decât alte instalații de încălzire a apei, producătorii au început să ofere sisteme funcționale în
orice perioadă a anului, lucru posibil prin introducerea unui schimbător de căldură separat.
2.2 Sinteză asupra terminologiei folosite
În România, sistemele cu pomp ă de căldură cu sursă subterană sunt puțin cercetate și
răspândite. Ca atare, nu există încă format un vocabular tehnic special destinat acestor
instalații.
În acest paragraf se face o sinteză a termenilor uzual folosiți în țările în care această
tehnologie nouă se utilizează . La încep utul acestui secol se poate observa – încă – o diferență
de limbaj tehnic între Europa și SUA, dar care se va atenua treptat, termenii folosiți în Statele
Unite probabil că se vor impune.
a) Varianta SUA
În această țară, atunci când se vorbește despre „pompe de căldură geotermale” se ia
în considerare sensul larg al expresiei, adică se înțelege sistemul format din următoarele trei
componente : schimbătorul subteran de căldură, agregatul de pompă de căldură și sistemul de
distribuție a căldurii/frigului. După modul în care se face transferul termic, există mai multe
tipuri de pompe de căldură geotermale. Dar aici apar unele confuzii legate de denumirea lor,
de-a lungul anilor fiind folosite denumiri diferite pentru același tip de instalație. Am optat
pentru numele cel mai des întâlnit în practică, prezentând în paranteză și denumirea originală
din limba engleză.
Există două tipuri distincte de pompe de căldură cu sursă subterană ( ground -source
heat pumps ), dif erența făcându -se în funcție de natura sursei calde ( solul sau apa): pompe de
căldură cu schimbător subteran (ground -coupled heat pumps ) și pompe de căldură cu apă
subterană ( ground -water heat pumps ). Prin extindere, pe lângă acestea două, și pompele de
căldură care extrag căldura din apele de suprafață ( surface water heat pumps ) se includ în
categoria celor cu sursă subterană ( fig. 2.8 ) [45].
De asemenea, există o mare varietate de denumiri folosite pentru pompele de
căldură cu schimbător de căldură subteran (PCS CS). Aceasta include: pompe de căldură
cu sursă subterană ( ground -source heat pumps ), pompe de căldură cu schimbător îngropat în
pămân t (earth -coupled heat pumps ), sisteme de energie terestră ( earth energy systems ),
sisteme cu sursă subterană ( ground source systems ), pompe de căldură geotermale
(geothermal heat pumps ), pompe de căldură cu circuit închis ( closed -loop heat pumps ) și
pompe de căldură cu energie solară ( solar energy heat pumps ). O mare parte din confuzia
apărută provine din politica de marketing a unor distribuitori de astfel de sisteme, din dorința
lor de a face legătura cu sursele de energie regenerabile (folosind termenii „geotermal”,
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
11 „solar”), de a face diferența clară față de pompele de căldură cu aer (prin utilizarea cuvântului
„îngropat”) și de a -și conștientiza potențialii clienți asupra conservării mediului (prin folosirea
expresiei „energie terestră”).
b) Varianta euro peană
Spre deosebire de cercetătorii americani, la care prin pompe de căldură cu sursă
subterană se înțelege întreg sistemul de extragere -transfer -distribuție a căldurii/frigului,
europenii pun accentul pe partea subterană a sistemului, respectiv pe partea de
extragere/evacuare a căldurii, din denumirea dată acestor instalații lipsind cuvintele „pompă
de căldură”. De asemenea, așa cum peste ocean sensul propriu -zis al cuvintelor „pompă de
căldură” a fost extrapolat, extins, așa și în Europa, pornind de la e chipamentul de extracție a
căldurii terestre (schimbătorul de căldură subteran) s -a ajuns ca – prin extrapolare – întregul
sistem (cuprinzând toate cele trei componente: extragere -transfer -distribuție a
căldurii/frigului) să poarte denumirea de schimbătoar e de căldură în gaura de sondă .
De asemenea, și în varianta europeană se utilizează aceleași modalități principiale de
extragere a căldurii terestre, doar că denumirea instalațiilor este alta. Astfel, există diverse
mijloace tehnice: serpentine orizontale (horizontal coils ), sonde (puțuri) de apă ( groundwater
wells ) și schimbătoare de căldură în gaura de sondă ( borehole heat exchangers ). În ceea ce
privește serpentinele orizontale, instalarea lor presupune decopertarea unei suprafețe relativ
mari de pământ, iar în cazul sondelor de apă o condiție sine -qua-non o reprezintă existența
pânzei freatice. [13]
Din aceste considerente, în Europa, cea mai răspândită tehnologie de extragere a
căldurii solului o reprezintă schimbătorul de căldură din gaura de sondă. Toate sistemele mai
sus-menționate funcționează împreună cu un agregat de pompă de căldură, prin care valoarea
relativ scăzută a temperaturii de ieșire din schimbătorul d e căldură subteran este ridicată la un
nivel corespunzător, funcție de tipul de instalație interioară de încălzire utilizat [50].
Pentru sistematizare și evidențierea echivalărilor, terminologia folosită pe cele două
continente se prezintă în tabelul 2.1 .
Tabel ul 2.1 – Prezentarea comparativă a terminologiei folosite cu referire la PC
SUA Europa
Termenul general PC cu sursă subterană,
PC geotermale Schimbător de căldură în gaura de sondă
Fără prezența apei
subterane PC cu schimbător de
căldură subteran
(fie orizontal, vertical
sau în spirală) Schimbător de căldură în gaura de sondă (atunci
când schimbătorul este vertic al)
Schimbător subteran de căldură orizontal
(se mai numesc și sisteme cu circuit închis)
Cu prezența apei
subterane PC cu apă subterană Puțuri cu apă subterană
(se mai numesc și sisteme cu circuit deschis)
Cu prezența apei
de suprafață PC cu apă de suprafață –
Alte tipuri – Geo-stâlpi de fundație
În cadrul prezentei lucrări , atunci când se face referire la pompe de căldură cu sursă
subterană/pompe de căldură cu schimbător de căldură subteran se înțelege întreaga instalație,
nu doar la agregatul de pompă de căldură.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
12 2.3 Scurt istoric
Pământul reprezintă o incredibil de mare și stabilă sursă de căldură, loc de evacuare
a căldurii, respectiv mediu de stocare a căldurii pentru consumatorii de energie termică și
pentru pompele de căldură cu sursă subterană .
Faptul că scoarța terestră are o temperatură constantă în timp a fost demonstrat
științific, pentru prima oară, în pivnițele foarte adânci ale Observatorului din Paris. La
sfârșitul secolului al XVII -lea, faimosul fizician și chimist francez Lavoisier a instalat un
termometru cu mercur în aceste pivnițe aflate la o adâncime de 27 m sub nivelul străzii. În
1778, un alt savant francez, Buffon, a arătat în cartea sa intitulată „Histoire naturelle, generale
et particuliere” că citirile făcute la a cest termometru indică faptul că temperatura rămâne
constantă tot timpul anului [22]. Douăzeci și doi de ani mai târziu, Alexander von Humboldt
scria: ”Temperatura me die obținută prin măsurătorile făcute începând din 1680 în acest subsol
este de 9,6 R” [31]. Această valoare (dată în grade Reaumur) este egală cu 12 C și se spune că
a variat de -a lungul anilor doar cu aproximativ 0,04 C.
În 1838, la Observatorul Regal din Edinburgh (Royal Edinburgh Observatory), a
început un program foarte serios de măsurare a temperaturi i solului. Datele obținute au fost
folosite, independent, de Tho mson [62] (devenit mai târziu Lord Kelvin) și de Everett pentru
determinarea empirică a unor formule și constante în vederea calculării influenței variațiilor
anuale al e temperaturii de la suprafață, cu adâncimea. Prin măsurători s -a determinat că
variația temperaturii la o adâncime de 8,1 m este aproximativ 1/20 din variația temperaturii la
suprafață, iar la 16,2 m este de numai 1/400 ( fig. 2.4 ) [27].
Fig. 2.4 – Temperatura medie a solului determinată la Observatorul Regal din Edinburg
MartieIanuarie
MaiNoiembrie
Iulie
Septembrie
Temperatura [°C]Adancimea [m]
2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 142
3
4
5
6
7
80
1
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
13 În secolul al XX -lea, prima instalație cu pompă de că ldură cu sursă subterană a fost
operațională în Indianapolis, SUA, în casa lui Robert C. Webber, un angajat al companiei de
electricitate Indianapolis Power & Light Co .. Un compresor de 2,2 kW a fost legat la
vaporizatorul format dintr -o serpentină amplasa tă într -un șanț, furnizând astfel căldură unui
sistem de încălzire cu aer cald. Instalația a fost monitorizată în exploatare începând din 1
octombrie 1945, dată considerată a fi prima menționare documentară a unei pompe de căldură
cu sursă subterană. Un ra port, din 1946, se încheia cu cuvintele: ”Se speră că acest raport
asupra unei instalații care funcționează în condiții normale va ajuta și alte instituții furnizoare
de utilități să -și facă o idee despre posibilitatea utilizării energiei electrice la încă lzirea
caselor, folosind pompe de căldură geotermale” [24].
În anii care au urmat s -au făcut mai multe propuneri asupra modului cel mai adecvat
de exploatare a subsolului ca sursă de căldură/frig pentru pompele de căldură. Într -un articol
publicat în 1947 de cercetătorul american Kemler [35] sunt prezentate aproape toate metodele
care s -au folosit de atunci și până în prezent: sondele cu apă, serpentinele orizontale îngropate
(umplute cu o soluție antigel sau direct cu agentul frigorific), schimbătoarele de căldură
verticale (coaxiale, de tip U sau spiralate). În fig. 2.5 se prezintă diversele tipuri de
schimbătoare de căldură subterane descrise de Kemler în 1947.
În prezent, singurele noutăți care au apărut față de variantele prezentate în 1947 sunt
serpentinele spiralate „slinky” (montate orizontal), serpentina spiralată canadiană SVEC
(montată vertical) și modelul germano -austriac de colector montat în șanțuri (vez i paragraful
2.4.1 ).
În Philadelphia au fost monitorizate două instalații cu schimbător de căldură
orizontal și circuit cu soluție de antigel pe o perioadă de doi a ni, între 1948 – 1950.
Compresoarele care au fost utilizate la agregatele de pompă de căldură au fost fabricate de
Chrysler și aveau câte 5 cilindri, fiind antrenate de un sistem electro -pneumatic destul de
complicat, dar care permitea reglarea funcționări i pe diverse nivele, funcție de sarcina cerută.
Din păcate, acest sistem de reglare s -a dovedit a nu fi fiabil. Ca atare, începând cu cea de -a
doua iarnă, instalația a funcționat doar în sistemul pornit/oprit, fără trepte intermediare.
Măsurătorile au debu tat la 1 octombrie 1948, iar până în 1950 s -a constatat că temperaturile
din conductele subterane nu au coborât niciodată sub -1 C. Temperaturile de vaporizate în
iarna 1948/49 au fost de minim (3 6) C, iar în iarna următoare – când nu a mai existat
posibilitatea reglării – s-a atins un minim de -13 C. Pe perioada celor doi ani de funcționare
au apărut multe probleme la diversele componente ale instalației, inclusiv 12 scurgeri de agent
frigorific. To tuși, în 1952, Harlow și Klapper au făcut publice rezultatele experimentelor,
spunând că: „pământul a oferit o sursă fiabilă de căldură și de frig în tot timpul celor doi ani
de funcționare a pompei de căldură, inclusiv în perioadele cu cerere maximă de că ldură și
frig” [30].
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
14
Fig. 2.5 –Tipuri de schimbătoare de căldură subterane descrise de Kemler
În Europa, primele pomp e de căldură cu sursă subterană au fost descrise în anii ‘70,
având drept sursă de căldură apa subterană provenită dintr -un puț sau pământul, prin
schimbătoarele îngropate, orizontale. În Germania, prima menționare documentară a
existenței unei astfel de i nstalații ( fig. 2.6 ) datează din 1972, fiind făcută de Waterkotte, în
care se specifica că sistemul a fost funcțional din 1969 [46].
Schimbator de
calduraPompaEvacuare
Peretele sondei
Nivelul apei in sonda
Nisip acviferConducta
a). PC cu apa subterana, cu o singura sondaSchimbator de caldura
PompaConducta izolata
Suprafata terestra
Conducta ingropata – sistem inchis
b). SC ingropat orizontal (conducte in sant)
Schimbator de
caldura
c). Schimbator de caldura in sonda, spiralConducte ingropateSchimbator de caldura
agent frigorific – aerAerConducta de aspiratie
CompresorReceptorVentil de
laminare
d). Conducte pentru vaporizare directa in pamant
Aer fierbinte Aer rece
Aer cald Ventilator Pompa
Nivel apa Izolatie
e). Schimbator de caldura in sonda, tip tub – USchimbator de caldura
Pompa
Sistem inchis
Spatiu umplut cu fluid
Izolatie
Teava de extractie (tubing)
Coloana de tubaj
Sonda
f). Schimbator de calura in sonda, coaxial
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
15
Fig. 2.6 – Schema primei pompe de căldură cu sursă subterană din Germania
Criza petrolului din 1973 a avut un efect benefic asupra dezvoltări i acestei
tehnologii. În Elveția, primele pompe de căldură cu schimbător îngropat datează din anii ‘80.
Un pionier elvețian în acest domeniu, Ernst Rohner – lucrător la compania Hastag AG, își
aduce aminte de anul 1980, spunând: „Coincidența face ca un man iac într -ale energiei să vadă
cum un utilaj al companiei noastre fora o sondă de cercetare și să întrebe dacă această mașină
poate să sape un puț până la 50 m adâncime, în care să instaleze conducte de plastic îndoite
„în ac de păr”. Era foarte încrezător că va putea extrage căldura solului prin circularea unui
fluid intermediar (antigel) în circuit închis.”
Un alt pionier al pompelor de căldură geotermale a fost și Helmut Hund din
Germania. El avea o fabrică de lentile optice, iar pentru încălzirea unei noi clădiri pe care a
construit -o, a dorit să folosească pompele de căldură cu sursă subterană. În acest scop, a săpat
8 puțuri de 50 m adâncime, în care a introdus schimbătoare de căldură îngropate, de tip
coaxial. Pompa de căldură geotermală avea o puter e de 22 kW și a fost operațională din iarna
1980/81.
Astăzi, la aproape 70 de ani după prima iarnă în care Robert Webber și -a încălzit
locuința cu ajutorul unei pompe de căldură, această tehnologie a cucerit piața continentului
nord american și european. D in păcate, însă, în Europa Centrală și de Est a pătruns într -o mai
mică măsură și mult mai greoi. Despre România, există foarte puține date publicate în
literatura de specialitate care să prezinte cercetări făcute pe pompele de căldură cu sursă
subterană.
2.4 Elementele unui sistem cu pompă de căldură cu sursă
subterană
O instalație cu pompă de căldură geotermală este compusă din trei subsisteme (SS):
SS sursă de căldură, SS transfer de căldură și SS de distribuție de căldură, așa cum sunt
reprezentate în fig. 2.7 .
32/30
36°C
+5/-310°CMACondensator
Compresor
VaporizatorPompa de circulatie
a soleiConducte in
pamant
(circuite
orizontale)Incalzire
prin
pardoseala
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
16
Fig. 2.7 – Elementele unui sistem cu pompă de căldură cu sursă subterană
2.4.1 Subsistemul sursă de căldură geotermal ă
2.4.1.1 Tipuri de schimbătoare de căldură subterane folosite de pompele de
căldură geotermale
Pentru a exemplifica terminologia descrisă în paragraful 2.2 și pentru a putea explica
funcționarea pompelor de căldură cu schimbător de căldură subtera n, în fig. 2.8 se prezintă
schematic diversele tipuri de astfel de instalații.
TRANSFER
TRANSFERTRANSFER
TRANSFERSUBSISTEMUL
SURSEI
DE CĂLDURĂSUBSISTEMUL
DE TRANSFER
DE CĂLDURĂSUBSISTEMUL
DE
DISTRIBUȚIE
CIRCUIT
SUBTERAN
APĂ
SUBTERANĂconducte
îngropate
sauventil de
laminare vaporizator condensator
compresor
ventil
inversorSISTEM
CU APĂ
SISTEM
CU AERsauradiatoare sau
convectoare
pompă de circulație
rețea de
conducte
ventilatoare sau
suflante de circulație
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
17
Fig. 2.8 – Tipuri de pompe de c ăldură cu sursă subterană PCSS
a). PC cu SCS (cu circuit închis), b). PC cu apă subterană (cu circuit deschis),
c). PC cu apă de suprafață
A. Pompe de căldură cu schimbător de căldură subteran (PC cu SCS)
Primul tip, numit pompe de căldură cu schimbător de căldură subteran (denumite
în trecut și pompe de căldură cu circuit închis), reprezintă doar o componentă a pompelor de
căldură cu sursă subterană, care mai includ pompele de căldură având apa (subterană sau de
suprafață) drept sursă de căldură. Pompele de căldură cu SCS au cunoscut o largă răspândire
în Statele Unite și în Europa, începând cu mijlocul anilor ’80.
Caracteristica distinctă a PC cu SCS este aceea că ele sunt conectate l a o rețea, în
circuit închis, de conducte plasate în contact direct cu solul sau cu rocile din subsol. Cea mai
uzuală metodă de a extrage căldura pământului este aceea de a îngropa, fie orizontal , fie
vertical , conducte de plastic cu rezistență termică mic ă. În interiorul acestor conducte circulă
a).
b).
c).vertical orizontal
spirală
două sonde o singură sondă alte ape lacuri, râuri, Evacuare în
indirect direct
eleșteu eleșteu
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
18 apă sau o soluție de antigel, iar căldura este cedată sau absorbită din pământ. De reținut este
faptul că în sistem NU există deloc apă subterană. Agregatul de pompă de căldură apă -apă sau
apă-aer este amplasat în interiorul clădirilor și este conectat la circuitul primar prin
intermediul unei pompe de circulație. Acest tip de pompă de căldură este cunoscut și sub
denumirea „PC cu schimbător de căldură îngropat, cu circuit secundar”, datorită faptului că
există un l ichid intermediar (apă sau soluție antigel) între sol și refrigerant [38]. Pompele de
căldură cu SCS se folosesc atunci când nu există un orizont acvifer sau apa este în cantități
reduse, dacă apar probleme cu calitatea apei din sondă sau atunci când forarea și echiparea
sondei este prea scumpă. Acest tip de pompe de căldură folosesc un canal îngropat în pământ
(orizontal sau vertical), în care se află conductele ce for mează bucle orizontale sau verticale și
prin care circulă un fluid ce are rolul de a tr ansfera de la sau înspre pământ, energia termică
[17].
A1. Schimbătoare de căldură subterane orizontal e (SCSO)
În Statele Unite sistemele orizontale reprezintă 50% din totalul instalațiilor [33]. Aici,
datorită faptului că dens itatea populației este mai mică, respectiv casele se află la o distanță
mai mare (deci proprietarii au la dispoziție o suprafață mai mare de teren), cel mai răspândit
mod de dispunere a conductelor îngropate este acela al dezvoltării liniare, cu o singură buclă
sau cu mai multe. Astfel, unul sau mai multe circuite închise de conducte sunt îngropate la o
adâncime de aproximativ 1 m ( fig. 2.9 ) prin săparea unor șanțuri [5].
Fig. 2.9 – Amplasarea pe orizontală a conductelor subterane ce formează schimbătorul de
căldură
Spre deosebire de varianta americană, în Europa – unde suprafața de teren disponibil
în jurul caselor este mult mai mică – se practică decopertarea unei suprafețe suficient de mari
de pământ, în care se plasează schimbătorul de căldură format din conducte montate în serie
sau în paralel, iar apoi se acoperă din nou cu pământ ( fig. 2.10 ) [53].
1,2 m
1,2 m
1,8 m
1,2 m
1,5 m
1,2 m
1,5 m
1,8 m
2,1 m
0,6 m1 sau 2 circuite 2 sau 4 circuite
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
19
Fig. 2.10 –Schimbătoare de căldură subterane orizontale, înseriate sau în paralel
Mai recent s -au dezvoltat și alte soluții, una dintre ele fiind utilizarea unui
schimbător sub f ormă de spirală, amplasat la (2 ÷ 3) m adâncime. Prin aceasta se mărește
considerabil suprafața de schimb de căldură, dar nu și suprafața terestră indisponibilizată
pentru montarea acestei instalații ( fig. 2 .11). Atunci când spirala este orizontală, poartă
denumirea de „slinky”, iar atunci când este verticală se numește SVEC. Pentru o mai bună
exemplificare se prezintă și poza unui astfel de schimbător spiralat de căldură ( fig. 2.12 ),
înaintea amplasării lui la o școală din Toronto.
Fig. 2.11 – Schimbătoare de căldură
spiralate, orizontal îngropate Fig. 2.12 – Schimbător de căldură spiralat
montat la o școală din Toronto
O altă posibilitate de reducere a necesarului de teren o reprezintă amplasarea
conductelor paralele într -un șanț adânc de câțiva metri, care apoi se umple cu nisip.
Conductele au un diametru mic și sunt poziționate pe pereții foarte înclinați ai canalului
(fig. 2.13 ). Acest tip de schimbătoare de căldură se pretează cel mai bine pentru instalații de
pompe de căldură ce funcționează atât pentru încălzire, cât și pentru răcire și la care
reîncălzirea naturală a solului nu este vitală. Totuși, spre deosebire de SUA, und e sunt destul
de răspândite, în Europa nu s -au prea dezvoltat, fiind folosite doar în câteva cazuri, în Austria
și în sudul Germaniei [36].
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
20
Fig. 2.13 –Schimbătoare de căldură orizontale îngropate într -un șanț
O soluție recent patentată își propune să îmbunătățească schimbul de căldură dintre
conductele subterane și solul în care sunt ele îngropate, prin adăugarea unor aripioare din
cupru pe suprafața exterioară a conductelor ( fig. 2.14 ) [36].
Fig. 2.14 –Schimbătoare de căldură orizontale cu nervuri (aripioare)
Un element ce are o importanță deosebită îl reprezintă materialele din care sunt
confecționate conductele, deoarece trebuie să fie foarte rezistente la coroziune o perioadă
lungă de timp.
În trecut s -a preferat folosirea metalelor datorită conductivității lor termice ridicate,
dar apăreau probleme de coroziune și de costuri ridicate. Cel mai utilizat metal a fost cuprul,
care se mai folosește și astăzi în sistemele cu vapori zare directă, dar învelit într -o teacă din
material plastic. Locul metalelor a fost luat de materialele plastice, dintre care cele mai
utilizate sunt polietilena și polibutanul de mare densitate sau PVC -ul întărit, principala
proprietate luată în considera re nemaifiind rezistența termică, ci rezistența la coroziune și
prețul mic.
Atunci când se dimensionează un schimbător de căldură subteran , un parametru
foarte important îl reprezintă puterea termică specifică posibil de extras pe fiecare metru de
conductă (densitatea liniară a fluxului de căldură primit de agentul de lucru din conducte).
Pentru conducte de diametru normal, puterea extrasă n u este influențată de această mărime
(diametrul), factorii care o limitează fiind conductivitatea termică a solului și rezistența
termică de contact între sol, conductă și fluid. De aici rezultă clar că un sol umed este mult
mai favorabil decât unul uscat.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
21 Determinările experimentale făcute la instalațiile existente au drept rezultat valori
cuprinse între (10 – 20) W/m pentru densitatea liniară a fluxului de căldură (puterea extrasă pe
1 m de conductă). Aceste valori sunt puternic influențate de numărul an ual de ore de
funcționare, dar cu o bună aproximare, se poate considera că energia anuală extrasă este de
(10 – 40) kWh/m·an. De asemenea, valoarea medie a COP variază într -o plajă largă, cu un
minim de 2,2 și un maxim de 4.
O variantă a pompelor de căldur ă cu SCSO o reprezintă cele cu „vaporizare directă”.
În acest caz, fluidul de lucru al pompei de căldură (agentul frigorific) circul ă direct prin
conductele îngropate, adică, cu alte cuvinte, vaporizatorul pompei de căldură este extins în
pământ. Avantajul acestei tehnologii este acela de a avea un număr mai mic de proces e de
schimb de căldură , deci posibilitatea unei eficiențe mai ridicate a sistemului. În Franța și
Austria există astfel de sisteme, la care – pe lângă vaporizatorul extins (în pământ) – și
condensatorul este extins, fiind alcătuit din conductele de încălzire montate în pardoseală.
Utilizarea acestui tip de pompe de căldură implică cunoștințe foarte bune asupra ciclului de
refrigerare și este potrivită doar la instalații de mică putere.
Princ ipala modalitate de reîncărcare termică a tuturor sistemelor orizontale o
reprezintă radiația solară la suprafața pământului. De aceea, este important ca terenul sub care
se află amplasat schimbătorul de căldură orizontal să nu fie acoperit de clădiri.
Sistemele orizontale sunt puternic afectate de radiațiile solare, de ploaie și vânt, în
timp ce buclele verticale au o temperatură controlată de temperatura medie anuală a zonei
respective și de gradientul termic, deci lucrează într -un mediu mult mai stabil t ermic. Totuși,
prezintă dezavantajul unui cost mai ridicat la instalarea conductelor [38].
A2. Schimbătoare de căldură subterane vertical e (SCS V)
În prezent, în SUA, sistemele verticale reprezintă 35% din totalul pompelor de
căldură cu schimbător îngropat și sunt într -o continuă ofensivă. În ultimii 10 ÷ 15 ani, această
variantă de pompe de căldură s -a dezvoltat foarte mult și în Europa.
Așa cum s -a putut constata și din măsurătorile datând din secolul al XVII -lea,
temperatura solului la o adâncime mai mare de o anumită „zonă neutră” (10 15 m) rămâne
constantă tot timpul anului (nefiind influențată de variațiile anotimpuale), iar pe măsură ce
adâncimea crește, datorită fluxului geotermic, rocile încep să se încălzească . Acest lucru,
precum și nevoia de a instala – pe o suprafață de teren limitată – un schimbător de căldură care
să poată furniza puterea necesară, au favorizat dezvoltarea schimbătoarelor de căldură
îngropate vertical.
Un schimbător standard de căldură îngropat vertical se compune din conducte de
plastic (polietilenă sau pol ipropilenă) instalate în gaura de sondă, iar spațiul liber rămas între
conducte și pereții puțului sunt umpluți cu un material special. În Suedia, sondele săpate în
rocile tari, cristaline, sunt păstrate deschise, iar apa subterană este cea care umple spaț iul
dintre conducte și pereții sondei, tot ea fiind și cea care face transferul de căldură între sol și
conducte. Dacă sunt necesare mai multe schimbătoare de căldură îngropate, conductele
trebuie astfel legate încât să existe o distribuție egală a fluxulu i de căldură între diferitele
canale. Din punct de vedere constructiv, există mai multe variante de realizare practică a
legăturilor ( fig. 2.15 ). Astfel, în primul caz ( fig. 2.15 a) capetele superioare ale
schimbătoarelor de căldură subterane sunt conectat e, pe teren, la conducta colectoare,
respectiv distribuitoare, doar acestea două plecând spre clădire. În cel de -al doilea caz
(fig. 2.15 b) de la capetele superioare ale fiecărui schimbător de căldură pleacă conducte spre
clădire, legarea lor la conducta colectoare, respectiv distribuitoare făcându -se în imediata
apropiere a clădirii, fie în interior, fie în exteriorul acesteia [2].
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
22
a) b)
Fig. 2.15 – Tipuri de legături între schimbătoarele de căldură îngropate vertical (de tip U)
În fig. 2.16 [48] se prezintă conducta colectoare, respectiv distribuitoare, poziționate
în imediata vecinătate a clădirii, în exteriorul acesteia, situație corespunzătoare schemei
prezentate în fig. 2.15 b.
Fig. 2.16 – Legătură, exterioară casei, între conductele ce vin de la SCS vertical e
De-a lungul timpului, s -au testat și folosit mai multe tipuri de schimbătoare de
căldură îngropate vertical, dar toate se bazează următoarele două concepte de bază [52], [55]:
conducte de tip U, alcătu ite dintr -o pereche de conducte drepte conectate la
capăt printr -o bucată îndoită la 180 . Unul, două sau chiar trei astfel de
conducte în U pot fi introduse într -un puț ( fig. 2.17 a). Avantajul conductelor
de tip U este un cost scăzut al materialului din care sunt confecționate, fapt
care duce la o utilizare pe scară foarte largă a conductelor în dublu -U în
Europa;
conducte coaxiale (concentrice), fie de tipul cel mai simplu (două conducte
drepte de diametre diferite), fie de configurații mai complexe ( fig. 2.17 b).
Instalațiile cu pompe de căldură cu SCS vertical pot fi de diverse dimensiuni și
puteri, de la case familiale cu un singur schimbător îngropat, până la clădiri de dimensiuni
mari care necesită un întreg „câmp de schimbătoare de căldură subterane ”. În Europa, cel mai
mare număr de schimbătoare de căldură îngropate vertical care deservesc o singură instalație
se află în Germania, la birourile centrale ale Controlului Traficului Aerian German. Aici sunt
îngropate vertical 154 de schimbătoare de căld ură, fiecare având 70 m adâncime.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
23
a) b)
Fig. 2.17 – Secțiuni transversale prin diversele tipuri de schimbătoare de căldură
îngropate vertical
Cel mai mare sistem de acest tip din lume servește pentru încălzirea/răcirea
colegiului Richard Stockton College din New Jersey, fiind format din 400 de schimbătoare
subterane vertical, fiecare având 130 m adâncime.
O altă tendință o reprezintă cartierele rezidențiale care se încălzesc cu pompe de
căldură cu sursă subterană. Un exemplu în acest sens îl reprezintă orașul Werne din
Germania, unde – pe o suprafață de circa 50.000 m2 sunt încălzite cele aproximativ 130 de
case fiecare având propria -i pompă de c ăldură cu sursă subterană cu unul sau două
schimbătoare subterane vertical e [52].
B. Pompe de căldură cu apă subterană
Cel de -al doilea tip, numit pompe de căldură cu apă subterană , se folosește de
ceva mai mult timp decât precedentele, primele sisteme fiind puse în fun cțiune la sfârșitul
anilor ’40, începutul anilor ’50, dar dezvoltarea cea mai mare au cunoscut -o în timpul primei
crize a petrolului din anii ’70. În deceniul următor au cedat supremația pompelor de căldură
cu schimbător de căldură subteran (orizontal sau vertical).
Apa subterană este cea care transportă căldura pământului până la pompa de căldură.
Aceste sisteme se mai numesc și pompe de căldură cu circuit deschis. Caracteristic acestor
sisteme este faptul că principalul purtător de energie termică, apa su bterană, curge liber prin
acvifer alimentând astfel, în mod continuu, sonda. Prin aceasta, ea acționează atât ca un mediu
care schimbă căldură cu rocile prin care trece până să ajungă la sondă, cât și – o dată ajunsă în
sondă – ca o sursă de căldură/frig. Ca atare, aceste sisteme nu mai au un schimbător de căldură
plasat în sondă, ci apa este extrasă cu ajutorul unei pompe submersibile, trecută prin
vaporizatorul agregatului de pompă de căldură și apoi evacuată, fie într -o altă sondă (numită
și sondă de inj ecție fig. 2.18 ) sau într -o apă de suprafață – râu, lac, eleșteu etc. ( fig. 2.19 ).
Prin utilizarea pompelor de căldură cu apă subterană (în circuit deschis) se poate
exploata o imensă sursă de căldură la un preț accesibil. Totuși, sondele de extracție și injecție
necesită o anumită întreținere și, de aceea, acest tip de pompe de căldură se pot amplasa doar
în acele locuri în care acviferul o permite. Principalele cerințe sunt:
permeabilitate suficient de mare pentru a putea menține debitul necesar de
apă e xtrasă, fără a scădea nivelul apei din sondă;
chimism bun al apei subterane (de exemplu, conținut mic de fier pentru a
evita problemele legate de coroziune sau depuneri).
Conductă simplu UConductă dublu U
25-32 mm
50-70 mm
25-32 mm
70-80 mm
40-80 mmSimplu coaxială Complex coaxialăcca. 70 mm
cca. 70-90 mm
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
24
Fig. 2.18 – Pompă de căldură cu apă
subterană (tip dublet) Fig. 2.19 – Pompă de căldură cu apă
subterană
Pompele de căldură cu apă subterană tind să fie utilizate în instalațiile cu puteri mari,
cel mai mare sistem de acest fel fiind în Louisville, Kentucky, SUA, unde furnizează 10 MWt
unui hotel și unor clădiri cu birouri, atât sub formă de căldură, cât și s ub formă de frig. Ceea
ce este caracteristic instalațiilor mari este existența unui schimbător de căldură care separă
circuitul agentului frigorific al agregatului de pompă de căldură de apa subterană, lucru care la
sistemele mici nu se întâmplă. Acolo, ap a subterană este trecută direct prin vaporizatorul
pompei de căldură. În fig. 2.20 se prezintă schematic un sistem cu pompă de căldură cu apă
subterană, cu putere instalată mare [46].
Fig. 2.20 – Sistem cu pompă de căldură cu apă subterană, de putere mare
Râu sau
altă apă de
suprafațăSondă de
producție
în pompajSondă de
injecție
(opțional)Schimbător de căldurăPompă de circulațiePompe de căldură
ReturTur
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
25 C. Pompe de căldură cu apă de suprafață
Pompele de căldură se instal ează în acest caz în eleștee, lacuri sau alte acumulări
permanente de apă, când conductele se montează pe fundul acestora, dar cu condiția ca
adâncimea să depășească 2 m, caz în care poartă denumirea de pompe de căldură cu apă de
suprafață (fig. 2.21 ).
Fig. 2.21 – Pompă de căldură cu apă de suprafață
Aceste instalații pot fi cu circuit închis sau cu circuit deschis. În zonele cu climă mai
rece se recomandă cele cu circuit închis din cauza posibilelor apariții ale înghețului .
Capacitatea de încălzire și răcire este afectată de radiațiile solare, precum și de alți
factori climaterici, la fel ca și buclele orizontale îngropate. Instalarea este ieftină și permit un
schimb de căldură eficient. Totuși, eleșteele nu mențin o temper atură atât de constantă precum
sondele, iar conductele sunt mai vulnerabile la defecțiuni accidentale. Acest mod de
amplasare a conductelor aferente pompei de căldură reprezintă 15% din totalul acestora. [18]
Pompele de căldură cu apă de suprafață au și alte avantaje: cost de operare mic,
consum mic de energie necesară pompării, costuri de instalare mici.
D. Alte tipuri de pompe de căldură cu sursă subterană
Există și alte modalități de extragerea a căldurii pământului decât cele discutate
anterior, și anume folosirea pilonilor fundației unei clădiri (așa-numiții „piloni energetici”),
utilizarea minelor abandonate și inundate [20] și a sondelor cu colector tubular . Aceste
„suporturi” de amplasare a schimbătoarelor subterane de căldură sunt mai puțin răspândite
datorită faptului că prețul investiției inițiale, precum și put erea obținută este foarte mare. De
aceea, se pretează pentru instituții și clădiri publice și mai puțin pentru consumatorii
individuali.
În cazul în care se optează pentru folosirea tehnologiei cu piloni energetici, stâlpii de
fundație, echipați cu conduct ele schimbătorului de căldură prin care circulă soluția de antigel
(fig.2.22 ), pot să fie de orice tip (prefabricați sau construiți la fața locului), având un diametru
ce variază între 40 cm și 1 m [53].
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
26
Fig. 2.22 – Piloni energetici
În fig.2.23 se prezintă schema unei clădiri care folosește piloni energetici, precum și o
secțiune printr -un astfel de pilon.
Fig. 2.23 – Sistem cu pompă de căldură cu piloni energetici și secțiune
printr -un pilon cu 3 bucle
Un alt concept cu perspective promițătoare îl reprezintă utilizarea apei din minele
abandonate și tunelurile rutiere sau feroviare. [55]
Fig. 2.24– Pompă de căldură având drept sursă apa dintr -o mină inundată
cca. 700 mm
cca. 900 mmPeretele pilonului
Conductele
schimbătorului
de căldurăCarcasă de oțel
(armătură)
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
27 Această apă are o temperatură constantă pe toată perioada anului și este relativ ușor
accesibilă. În Germania (Saxonia) și în Canada găsim exemple de utilizare, cu ajutorul
pompelor de căldură, a căldurii apei acumulate în minele inundate ( fig. 2.24 ), în timp ce în
Elveția, în localitatea Oberwald de la intrarea vestică a tunelului feroviar Furka este instalată o
pompă de căldură ce extrage căldura din apa de infiltr ații a tunelului.
Într-o sondă cu colector tubular (fig. 2.25) , apa este extrasă prin pompaj de la baza
sondei, este trecută prin agregatul de pompă de căldură, iar la ieșirea din aceasta este filtrată
printr -un strat de pietriș și trimisă înapoi în sondă, în partea superioară a acesteia. Sondele cu
colectoare tubulare necesită o anumită adâncime pentru a putea furniza suficientă putere
termică fără a îngheța apa și, de aceea, cele mai multe sonde au câteva sute de metri
adâncime. Se cunosc exemple de astfe l de instalații atât în Europa (Germania și Elveția), cât și
în SUA, dar datorită faptului că săparea sondelor la o asemenea adâncime este destul de
scumpă, tehnologia nu este potrivită pentru instalații de mică putere sau consumatori casnici.
Fig. 2.25 – Pompă de căldură cu sondă cu colector tubular
2.4.1.2 Stadiul actual de dezvoltare a schimbătoarelor de căldură subterane
În cazul SC S, fie vertical e, fie orizontal e, este foarte importantă cunoașterea
proprietăți lor termice ale solului. Diversele tipuri de roci (calcare, marne, argile etc.) au
coeficienți de transmitere a căldurii total diferiți. Mai mult, prezența apei poate duce la
modificări destul de mari ale valorilor acestor coeficienți.
Pentru SC SV trebuie cunoscute – cu o exactitate cât mai mare – toate posibilele
cauze care pot influența valorile conductivității termice de-a lungul întregii adâncimi a
forajului . Dacă nu se determină cu acurateț e acest coeficient, lungimea SCS va fi ori prea
mare, ori prea mică, de aici rezultând disfuncționalități ale sistemului și o eficiență energetică
redusă.
În funcție de mărimea put erii termice necesare pentru PCSS , pentru aplicațiile mici,
rezidențiale, este suficient un calcul teoretic și o estimare cu bună aproximație a
conductivității termice, dar pentru aplicațiile mari, industriale sau comerciale, acest coeficient
trebuie măsurat la fața locului. În acest sens , un instrument extrem de folositor îl reprezintă
testul de răspuns termic efectuat pe un SCS V montat într -o gaură de sondă pilot, care mai
târziu va face parte din câmpul de sonde. Ideea de bază constă în injectarea în sondă a unei
cantități bine definite de căldură, iar apoi măsurarea variațiilor de temperatură ale fluidului
care circulă prin conductele subterane .
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
28 Cu toate că bazele teoretice au fost puse încă din anii ’80, primele testări practice ale
răspunsului termic în sol au fost făcute cu un echipa ment mobil abia în 1995, în Suedia [25].
Un echipament similar a fost construit și testat și în Statele Unite, începând cu anul 1996 [14].
În 1998, în Olanda, s -a abordat – pentru prima oară – oarecum diferit problema, adică răcirea
solului cu ajutorul unei pompei de căldură [63].
La ora actuală, astfel de echipamente de testare există în Suedia, Norvegia, Marea
Britanie, Germania, Elveția, Turcia, Canada și Statele Unite ale Americii [41]. În Germania
sunt funcționale cel puțin trei astfel de instalații, iar primele teste au fost făcute în vara anului
1999. În fig. 2.26 se prezintă schema funcțională a testului de răspuns termic, iar în fig. 2.27 o
fotografie a echipamentului de testare montat pe șantier [54].
Fig. 2.26 – Schema funcțională a
testului de răspuns termic Fig. 2.27 – Echipament de testare, pe șantier
Prin compararea rezultatelor obținute cu trei astfel de instalații din Olanda și
Germania s -a ajuns la conclu zia că această tehnologie ultramodernă furnizează date repetabile
și astfel, testul de răspuns termic poate fi folosit cu încredere în proiectarea instalațiilo r cu
PCSS de orice dimensiune .
Principiul se bazează pe injectarea sau extragerea unei cantități cunoscute și, pe cât
posibil, constante de căldură într -un/dintr -un SC S vertical și măsurarea modificărilor de
temperatură ale fluidului ( fig. 2.26 ). Fiecare tip de echipament de testare are propriile metode
și puncte în care monitorizează temperatura și f luxul de căldură. Rezultatele testului se
prezintă, de obicei, sub forma unor curbe care arată variația temperaturii în timp.
De cele mai multe ori, rezultatele măsurătorilor făcute cu ambele metode – fie cu
injectare de căldură (prin încălzirea SCS ), fie prin e xtragere de căldură (răcirea SCS ) – au dat
valori foarte apropiate ale coeficientului de conducție termică. Doar în cazurile în care sunt
prezente straturi groase de sedimente nesaturate cu apă care pot prezenta modificări ale
conductivității termice datorate mișcării convective a particulelor fine de apă indusă de
diferența de temperatură, are sens efectuarea măsurătorilor folosind scăderea temperaturii
previzionată pentru funcționarea reală a pompelor de căldură.
Un parametru important al testului d e răspuns termic îl reprezintă perioada de timp în
care acest test se desfășoară. Au existat unele păreri că 12 ore ar fi suficiente [59], dar – în
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
29 urma analizării rezultatelor experimentelor făcute până în prezent – majoritatea cercetătorilor
au ajuns la concluzia că un minim de 50 de ore este absolut necesar pentru a dobândi valori
corecte [58][60]. În general, există anumite limite fizice pentru scurtarea perioadei de măsurare
deoarece trebuie să se ajungă la un regim stab ilizat de transmitere a căldurii în sol. În primele
ore ale testului, variația temperaturii este dată în principal de materialul de cimentare al găurii
de sondă, și nu de solul sau rocile din jur.
Comparându -se diversele metode de evaluare a datelor măsur ate pe o perioadă de 50
de ore, s -a constatat o diferență de 5% între coeficienții de conductivitate termică. Dar când
s-au comparat datele obținute după primele 20 de ore, diferențele au fost de 15% [60].
De asemenea, timpul de măsurare depinde și de tipul proiectului și de faza în care
acesta se află. Testul de răspuns termic poate fi efectuat fie pe un SCS V pilot, înainte de
începerea lucrărilor de foraj (caz în c are timpul avut la dispoziție pentru măsurători este mai
mare), fie testarea se face în timpul forajului iar timpul avut la dispoziție este mult mai mic. În
acest ultim caz trebuie luate în calcul și perturbările ce pot interveni din cauza forării, precum
și faptul că este recomandabil ca testul să se facă cât mai departe posibil de locul în care se
sapă [41].
O altă mărime fizică ce poate fi determinată prin efectuarea unui test de răspuns este
rezistența termică a forajului , mărime care, de altfel, poate fi și calculată (dacă se cunosc
dimensiunile și materialele folosite).
Pentru a obține rezultate bune la r ealizarea testului, este important ca sistemul să fie
pus în funcțiune corect și influențele externe să fie minimizate. Acest lucru se poate realiza cu
ușurință prin folosirea energiei electrice la încălzirea solului, iar apoi răcirea lui cu pompe de
căldu ră. Totuși, și în acest caz al încălzirii electrice, pot apărea fluctuații ale fluxului de
căldură injectat în sol datorate variațiilor de tensiune din rețeaua electrică. De asemenea, și
pentru pompa de căldură trebuie luate în considerare temperatura medi ului ambiant (răcirea
condensatorului), precum și comportarea dinamică a ciclului termodinamic, factori care duc la
îngreunarea controlului extracției/injecției unui flux constant de căldură (regim staționar de
lucru) [41].
O altă caracteri stică extrem de importantă a SCS V o reprezintă materialele din care
acestea sunt confecționate . Atât î n SUA , cât și în Germania , acolo unde există o industr ie
întreagă formată în jurul PCSS , o parte a acesteia se ocupă d e conductele folosite pentru SCS .
Astfel, s -a ajuns și la o standardizare a acestor conducte, precum și a materialelor din care ele
sunt confecționate. [34]
Materialul din care se confecționează conductele schimbătorului de căldură este , în
principal, polietilena de înaltă densitate (PEHD). Conductele din PEH D pot fi achizițion ate
de la aproape orice magazin sau depozit de materiale de construcție, dar există câteva
caracteristici foarte importante a le conductelor obișnuite din PEH D care le fac total
inutilizabile pentru SCS . Astfel, conductele trebuie dimensionate – în funcție de aplicație – să
reziste la anumit e solicitări. Pentru aceasta, diametrele interioare și exterioare, precum și
grosimea peretelui conductei sunt foarte importante.
La ora actuală există și în Europa mu lte companii producătoare de SCS V, fie de tip
U (simplu sau dublu), fie de tip coaxial.
În continuare , se prezintă un SCS V de tip dublu -U. Acesta este format din două
conducte în formă de U care au în centru o a cincea conductă ( fig. 2.28 ) folosită pentru
injectarea materialului de umplutură (de obicei o suspensie de ciment de bentonită) înce pând
de la baza găurii de sondă spre vârf. Pe măsură ce sonda se umple, cea de -a cincea conductă
se ridică și ea.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
30
Fig. 2.28 – Schema unui SCS vertical tip dublu -U [4]
Legătura dintre schimbătorul de căldură subteran și locul în care este montat
agregatul de pompă de căldură (de obicei, subsolul clădirii) trebuie să se facă cu conducte din
materiale sinteti ce, astfel încât instalația să funcționeze o perioadă cât mai îndelungată fără a
apărea pro bleme de coroziune. Deoarece SCS are o durată medie de viață de 100 de ani și
conductele subterane de legătură ar trebui să atingă aceeași perioadă.
Componentele unu i SCSV sunt prezentate în fig. 2.29 .
Fig. 2.29 –SCSV tip dublu -U cu accesorii
Material de
umplutură
110 – 130 800
1100 – 1500 Piesa Y
Tub de injecție a mate –
rialului de umplutură
Manșon sudat prin
electrofuziune
Distanțier
Piesa U
Gretate vârf
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
31 În cazul unor SCS V de tipul dublu –U, asemenea celor prezentate anterior, acestea au
două circuite separate care sunt fie unite printr -un fiting tip Y, fie conduse individual, către un
distribuitor. Dacă sunt conduse separat, fiecare circuit de conductă U poate fi oprit sep arat,
ceea ce duce la o disponibilitate mai mare a instalației deoarece, în cazul unei distrugeri a
conductei cauzate de factori externi sau – extrem de rar – în cazul unei scurgeri de fluid
antigel , doar circuitul avariat este întrerupt, iar circuitul răm as în funcțiune poate furniza
aproximativ 70 85% din necesar.
De asemenea, pe piață mai există și schimbătoare de căldură de tipul dublu -U, la care
partea inferioară a celor 4 conducte se unește formând o așa -numită cameră comună . Însă, la
acest tip de S CSV dispare avantajul întreruperii separate a circuitelor.
De multe ori, din motive de spațiu sau costuri mai reduse, părțile superioare ale celor
două circuite ale SCS V sunt conectate la un fiting în formă de Y ( fig. 2.30 ) [4]. Utilizarea
acestei piese duce la scăderea numărului de conducte de legătură și ieșiri ale distribuitorului.
În cazul unei aplicații rezidențiale este suf icient, de obicei, un singur SCS V, ceea ce face ca
utilizarea acestui Y să elimine necesitatea unui distribuitor.
Fig. 2.30 – Fitting în formă de Y
Pentru a crește și mai mult coeficientul de transmitere a căldurii în son da geotermală,
în cazul unor SCS V de tip simplu -U sau dublu -U se folosesc niște accesorii numite clame ,
care au rolul de a ține depărtate cele două ramuri ale conductei în formă de U, deoarece, în
cazul în care ele se ating sau sunt foarte apropiate capacitatea de transfer de căl dură este
redusă, între ele apărând o interferență. Aceste clame ( fig. 2.31 ) au rolul de a scădea rezistența
termică internă a forajului , ducând la creșterea se mnificativă a performanțelor SCS V, precum
și la reducerea costurilor de inst alare prin scăderea lungimii SCS [3].
Fig. 2.31 – Clamă pentru scăderea rezistenței termice a sondei
În același scop se mai pot folosi și distanțiere circulare de diametre inter ioare diferite
(fig. 2.32 ) având diverse tipuri de prindere a conductelor.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
32
Fig. 2.32 – Diferite tipuri de distanțiere pentru SCS verticale tip dublu -U [4]
Prin injectarea materialului de cimentare prin cea de -a cincea conductă se umple
spațiul inelar dintre conducte și pereții sondei, precum și eventualele crăpături și spărturi.
Utilizarea materialului de umplutură duce la îmbunătățirea transferului de căldură dintre
formațiunile geologice din juru l găurii de sondă și conductele îngropate și la închiderea
diverselor straturi acvifere care au o difuzivitate termică mare . De asemenea, prezența acestui
material ajută la micșorarea diferenței dintre presiunea statică a fluidului antigel din inter iorul
conductelor aparținând SCS V și presiunea din exteriorul conductelor. Acest lucru este foarte
important pentru crește rea duratei medii de viață a SCS V de adâncimi mari (200 400 m).
Recent, materialul injectat a fost îmbunătățit cu anumiți aditivi care au d us la creșterea
conductivității sale termice.
Materialele de cimentare folosite actualmente se pot clasifica în două mari categorii:
cele bazate pe bentonită și cele bazate pe ciment . Referitor la acestea din urmă au fost
exprimate anumite temeri legate de modificări ale volumului prin contractare, căldură
excesivă de hidrogenare, precum și de un slab contact și o a derență redusă la conductele
SCSV de tip U. Totuși, prin utilizarea metodei de injecție a aditivilor speciali prezentată mai
sus și a respectări i unei proporții bine stabilite din fiecare substanță componentă se pot
îmbunătății proprietățile laptelui de cimentare. De exemplu, departamentul de protecție a
mediului din statul american New Jersey a aprobat folosirea unui material de cimentare bazat
pe un amestec superplasticizat de ciment și nisip atât pentru solu ri consolidate, cât și pentru
cele neconsolidate [42].
Cea mai simplă formă de lapte de ciment este d ată de amestecul dintre ciment și apă,
căruia – deseori – i se mai spune și ciment curat. Alte variante ale acestui material includ
tipuri mai sofisticate de ciment, adăugare de bentonită, înlocuire parțială a cimentului cu
aditivi minerali (materiale supl imentare de cimentare), adăugare de acceleratori sau
încetinitori de reacție și folosirea unor agenți reducători de apă. Dacă „ciment ul curat” are o
conductivitate termică relativ mică, utilizarea ei pentru instalațiile de PC SS fiind limitată, prin
adăugar ea de nisipuri silicoase conductivitatea termică crește până la valori duble sau chiar
triple , în funcție de proporție.
Proprietățile cimentului de umplutură sunt influențate în principal de raportul
apă/ciment. Aceste proprietăți sunt: vâscozitatea, rezistența mecanică , durabilitatea și
coeficientul de contracție. De asemenea, și conductivitatea termică este influențată de raportul
apă/ciment, mai ales atunci când materialul de umplutură se usucă prin evaporarea apei în
exces, iar porozitatea rezultat ă duce la scăderea acestui coeficient de conducție termică. Un
material cimentos de umplutură de bună calitate necesită minimizarea proporției apă/ciment.
Comportarea laptelui de ciment proaspăt sau încă neîntărit este foarte importantă
deoarece aceasta de termină capacitatea de amestecare, pompare și circulație a cimentului cu
ajutorul unor echipamente corespunzătoare. Vâscozitatea materialului de umplutură este
alterată, pe lângă raportul apă/ciment, și de folosirea diverselor chimicale de adaos. Agenții d e
reducere a apei și cei de superplasticizare pot reduce necesarul de apă păstrând în același timp
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
33 și vâscozitatea redusă. Substanțele superplasticizante sunt mai eficiente decât reducătorii de
apă obișnuiți, dar efectul lor scade o dată cu creșterea timpu lui de amestec. Prin adăugarea
acestor superplasticizanți este influențată și reologia materialului de umplutură.
Numeroase soluri și ape subterane conțin un nivel relativ mare de sulfați solubili care
au influențe negative accentuate asupra integrității materialelor de umplutură bazate pe ciment
obișnuit. Această problemă potențială poate fi depășită fie printr -o înlocuire parțială a acestui
tip de ciment cu zgură de furnal, fie prin înlocuirea totală a cimentului obișnuit cu ciment
rezistent la sulfați.
Bentonita este un aditiv uzual și este folosit, în principal, pentru îmbunătățirea
stabilității materialului de umplutură, reducerea scurgerilor și a separării nisipului.
Vâscozitat ea aparentă și aderența cresc o dată cu creșterea conținutului de bentonită. Dar la un
conținut prea mare de bentonită în materialul de umplutură , superplasticizanții au un efect
redus. Bentonita este o substanță destul de greu de amestecat în mod uniform cu apa, neajuns
ce poate fi remediat prin alegerea corespunzătoare a utilaju lui de lucru (mixer tăietor în locul
celui cu palete întâlnit mai des).
Pe lângă creșterea conductivității termice, nisipul mai prezintă și avantajul reducerii
scurgerilor și a îmbunătățirii proprietăților mecanice la o aceeași proporție apă/ciment.
Ciment urile cu nisip au o căldură de hidrogenare mai mică comparativ cu cimenturile pure.
Este important ca nisipurile silicoase (cuarțoase) folosite la îmbunătățirea proprietăților
termice și conferirea altor proprietăți benefice pentru materialele de cimentare să aibă
particule de mărimi variate care să fie bine sortate și calibrate, să aibă margini rotunjite, nu
ascuțite sau solzoase. Nisipul care este prea grosier are tendința de separare, fapt ce duce la
probleme de pompare, în timp ce un nisip prea fin, cu o granulație prea mică , va duce la
creșterea necesarului de apă și va limita proporția de nisip care poate fi adăugată în ciment.
Sortarea exactă a nisipului care poate fi folosit cu succes în materialele de cimentare se face
funcție de echipamentul de ame stecare și pompare. Unele cercetări au arătat c ă nisipul cu
particule de dimensiuni cuprinse între 75 m și 2,36 mm este potrivit pentru materiale de
cimentare superplasticizante amestecate într -un mixer cu palete [42].
O altă caracteristică ce influențează comportarea și eficiența sistemelor cu PC SS este
natura soluției antigel (solei ) aflate în interiorul circuit ului subteran (în interiorul SCS V și a
conductelor de l egătură până la vapo rizatorul agregatul ui de pompă de căldură). Această
soluție transportă căldura de la/înspre pământ și, în cele mai multe cazuri, este alcătuită d in
monoetilen glicol. Dar, cercetări recente efectuate la Institutul de Inginerie Termică a l
Universității Tehnice din Graz în cooperare cu firma austriacă M -Tec Mittermayr [43] au
analizat comportarea unui alt agent de lucru, și anume bioxidul de carbon. Circuitul parcurs
de CO 2 este doar subtera n vertical, în interiorul unei conducte, unde – în partea inferioară –
are loc evaporarea CO 2, iar în partea superioară are loc atât condensarea CO 2, cât și
vaporizarea agentului frigorific din agregatul de pompă d e căldură [47]. În fig. 2.33 se prezintă
schema de principiu a unui sistem cu PCSS ce folosește tub termic cu CO 2 pentru extragerea
căldurii din sol și transportul ac esteia către vaporizator pompei de căldură.
Se poate observa că cele două subsisteme principale sunt reprezentate de agregatul
de pompă de căldură (compus din compresor, condensator, ventil de laminare și vaporizator)
și de tubul termic (în fapt, un termos ifon bifazic în circuit închis). Aceste două subsisteme
sunt legate în partea superioară a tubului termic care are rol de condensator pentru CO 2 și
vaporizator pentru agentul frigorific.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
34
Fig. 2.33 – Schema de principiu a unei PCSS cu tub termic cu CO 2
Principiul de funcționare a tubului termic ( fig. 2.34 ) este următorul: datorită forței
gravitaționale fluidul de lucru (în stare lichidă) curge de -a lungul peretelui conductei înspre
partea “caldă” a tubului (partea inferioară), unde are loc vaporizarea. Mișcarea ascendentă a
vaporilor duce la subțierea din ce în ce mai puternică a stratului de lichid. În partea “rece” a
tubului (partea superioară) vaporii de CO 2 condensează și ciclul s e reia.
Fig. 2.34 – Principiul de fu ncționare a tubului termic cu CO 2
peretele tubului
vaporistrat de lichid
QvapQcond
Zonă
adiabaticăTub termic cu CO 2 Vaporizator agent termic/
Condensator CO 2 Condensator
agent termic
Compresor Ventil de laminare Apă
fierbinte
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
35 În cazul PCSS, partea îngropată a tubului termic corespunde părții “calde”, iar partea
superioară a probei (de exemplu, vaporizatorul pompei de căldură) corespunde părții “reci” a
tubului termic. O astfel de configurare a sistemului duce la un ciclu frigorific (al pompei de
căldură) decuplat fizic de ciclul sursei de căldură (ciclul CO 2). Acest lucru face posibilă
folosirea oricărui tip de agent frigorific sau lubrefiant în agregatul de pompă de căldură fără
vreun pericol d e contaminare a solului în caz de scurgere.
Au fost testați mai mulți agenți de lucru pentru tuburile termice (R -22, R -134 și R –
290 propan). Dar, în final, s -a constatat că CO 2 este cel mai bun deoarece duce la o
funcționare a sistemului cu fiabilitate mare, este extrem de eficient și – nu în cele din urmă –
este netoxic. În cel mai rău caz, cel al unei spărturi, CO 2 nu va contamina solul sau pânza
freatică.
Prin compararea aces tui sistem cu unul clasic, cu fluid antigel , se constată
următoarele avantaje:
există o circulație naturală (în locul celei forțate a solei, obținută cu ajutorul unei pompe)
ceea ce duce la o scădere a consumului de energie electrică, iar potențialele defe cte ale
pompei de circulație sunt eliminate;
prin utilizarea CO 2 în locul amestecului antigel -apă se obține un transfer termic
îmbunătățit și un cost mai mic al fluidului transportator de căldură.
Totuși, trebuie menționat aici și un dezavantaj major al tu burilor termice: din
moment ce direcția transferului de căldură de la sol la tubul termic este determinat de natură,
acest sistem nu este reversibil, deci nu poate fi folosit pentru răcire în timpul verii [47].
2.4.2 Subsistemul agregatului de pompă de căldură folosit în instalațiile
de pompe de căldură cu sursă subterană
Cea mai importantă componentă a unei instalații de încălzire/răcire ce folosește
pompă de căldură geotermală o reprezintă însuși agregatul de pompă de căldură. Din punct de
vedere cronologic, pompele de căldură folosite pentru încălzire au apărut pentru prima dată în
Statele Unite ale Americi, derivate din aparatele de climatizare și prezentate sub for ma unor
instalații compacte. Puterea lor termică pentru încălzire, în condiții standard (t exterior = 7,5 C,
tinterior = 21 C) se situa între 4 și 25 kW, fiind totodată prevăzute cu o sursă auxiliară de
căldură (rezistență electrică) pentru casele cu un n ecesar de căldură cuprins între 10 – 50 kW.
Aceste pompe de căldură erau, în marea lor majoritate, cu comprimare mecanică de vapori de
tipul aer -aer.
Principalele elemente componente ale unui agregat de pompă de căldură sunt:
vaporizatorul – un schimbător de căldură prin care circulă un agent frigorific
în stare lichidă, care absoarbe căldură de la mediul cu temperatură scăzută și
care astfel își modifică starea de agregare, devenind gazos;
compresorul – echipament în care are loc comprimarea agentului frigorific
gazos, rezultând creșterea temperaturii acestuia;
condensatorul – un schimbător de căldură prin care circulă agent ul frigorific
în stare gazoasă, care cedează căldură unui alt mediu, devenind lichid;
ventilul de laminar e – o componentă în care are loc scăderea presiunii
agentului frigorific lichid;
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
36 agentul frigorific – o substanță care circulă în interiorul tuturor
componentelor pompei de căldură și a conducetelor de legătură dintre acestea
și care – în mod continuu – absoarbe, transportă și cedează căldură ,
modificându -și ciclic starea de agregare ;
ventilul inversor, cu 4 căi – o componentă care controlează direcția și debitul
agentului frigorific.
2.4.2.1 Compresoarele
Cele mai des întâlnite tipuri de compresoare folosite la p ompele de căldură sunt:
compresoare cu piston ;
compresoare rotative:
elicoidale (cu șurub) ;
cu spirale (scroll).
Compresoarele cu piston pot fi de trei tipuri constructive:
compresoare deschise – se pot cupla cu motoare separate, de tip electric sau
termic și pot vehicula orice tip de agent frigorific. În general sunt utilizate
pentru p uteri frigorifice medii și mari;
compresoare semiermentice ( fig. 2.35 ) – sunt cuplate direct la un motor
electric închis într -un carter demontabil comun. Nu pot vehicula decâ t freoni
și se utilizează pentru puteri medii;
compresoare ermetice (fig. 2.36 ) – se aseamănă cu cele semiermetice, dar sunt
închise împreună cu motorul într -o carcasă etanșă nedemontabilă (sudată). Nu
pot vehicula decât freoni și se utilizează pentru puteri mici și medii.
Fig. 2.35 – Compresor semiermetic
1 – motor electric; 2 – rotorul motorului electric;
3 – bielă; 4 – manivelă; 5 – supapă de aspirație;
6 – supapă de refulare Fig. 2.36 – Compresor ermetic [8]
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
37 Ultimele două tipuri de mașini sunt specifice pompelor de căldură, deoarece freonii
protejează înfășurările electrice, ceea ce permite introducerea motorului în fluxul de agent
frigorific vehiculat de compresor.
Princip alul avantaj al acestor mașini este că pe același arbore se găsesc motorul
electric și ambielajul compresorului. În plus ansamblul se introduce într -o singură carcasă
etanșă pentru agentul frigorific, dispar problemele de aliniere a motorului cu compresorul și
problema traversării carterului de către vibrochen, ca și problema garniturii mecanice.
Compresoarele cu șurub (fig. 2.37) pot fi de două tipuri :
compresoare birotor (dublu șurub) – debitul acestor compresoare depinde de
diametrul și lungimea rotoarelor, dar și de turația acestora;
compresoare monorotor (monoșurub) – există două sertare situate de o parte
și de alta a p lanului orizontal, care separă compresorul în două jumătăți
simetrice
Fig. 2.37 – Compresor cu șurub
a). dublu șurub; b). monoșurub
Principalele avantaje ale compresoarelor elicoidale, față de cele cu piston sunt
următoarele: dimensiuni mai reduse; greutate mai mică; siguranță mai mare în funcționare;
întreținere mai redusă; nivel de vibrație redus; antrenarea realizată de motoare cu doi poli. Ca
dezavantaj e se pot menționa următoarele: prețul mai ridicat (serii de fabricație mai reduse,
deci mai scumpe); importanța și complexitatea mărită a circuitului de ungere; nivelul de
zgomot mai ridicat.
Acest tip de compresoare cu șurub ( fig. 2.38 ) se folosesc cu pre cădere la pompele de
căldură de putere medie și mare.
Fig. 2.38 – Compresor cu șurub
Compresoarele cu spirală (Scroll) au la bază un concept simplu, care a fost patentat
în 1905 de către inginerul francez Leon Creux. Tehnologia momentului nu era suficient de
avansată și construc ția prototipului a trebuit s ă aștepte p ână la jumătatea secolului al XX -lea.
Refulare Refulare Aspirație
a). b).
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
38 Principiul de funcționare a compresorului Scroll difer ă fundamenta l de cel al
compresorului tradiț ional cu piston deoarece se bazeaz ă pe o mi șcare orbital ă a uneia din cele
două spirale, în timp ce cealaltă rămîne fixă (fig. 2.39 ). Aspiratia se realizeaza prin zona
periferică , iar r efularea prin orificiul situat î n centrul spiralei fixe .
Fig. 2.39 – Spirala fixă și cea mobilă a compresorului Scroll
Modul de funcționare al acestor tipuri de compre soare cuprinde trei faze:
– aspirația – în timpul deplasării spiralei inferioare se formează două zone prin care
sunt aspirați vaporii de agent frigorific până în momentul în care cele două zone se închid;
– comprimarea – mișcarea spiralei antrenează vaporii spre zona centrală, iar volumul
ocupat de vapori se reduce treptat ceea ce produce comprimarea acestora;
– refularea – vaporii comprimați sunt evacuați prin orificiul din zona centrală.
Se observă că în timpul funcționării, cele trei faze (aspirația, comprimarea și
refularea) se desfășoară simultan, simetric și continuu, ceea ce reprezintă o caracteristică
importantă a acestui tip de compresor, care va fi supus unei variații a cuplului mai redusă
decât în cazul compresorului cu piston.
În Fig. 2.40 se prezintă o secțiune printr -un compresor S croll complet ermetic [9].
Fig. 2.40 – Compresor cu spirală
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
39 Compresorul nu nec esită supape, fiind suficientă o simplă clapet ă unisens, care să
împiedice reî ntoarcerea vaporilor refulați. Raportul de comprimare este fix, iar coeficientul de
debit este foarte bun, pentru că nu există spațiu mort.
Compresorul nu prezintă decât trei piese în mișcare, însă pune probleme deosebite
din punct de vedere al etanșei zării axial e, al celei radiale și al evitării rotației inverse a spiralei
mobile.
Acest tip de compresor este cel mai folosit în agregatele de pompe de căldură
utilizate în sistemele cu sursă subterană de putere mică și medie.
2.4.2.2 Agenți i frigorifici
Agenții frigorifici folosiți în circuitul agregatelor de pompe de căldură suferă
modificări continue. În ordine cronologică, p rima categorie de astfel de agenți, numiți și
clorofluorocarburi (CFC), au fost descoperiți în anii ’30 și au fost catalogați la a cea vreme ca
fiind fluide inerte și complet nedăunătoare în comparație cu oxidul de etil (care era foarte
inflamabil), cu anhidrida sulfuroasă sau clorura de metil . Aceste clorofluorocarburi –
denumiți și freoni clasici – conțin clor care este extrem de i nstabil în moleculă. Abia 50 de ani
mai târziu, în 1974, s -a descoperit efectul lor distructiv asupra stratului de ozon. De aceea,
comunitatea științifică internațională a sugerat, iar guvernele tuturor țărilor au acceptat prin
Protocolul de la Montreal din 1987, revizuit în iunie 1990, de Reuniunea de la Londra,
îngheța rea pentru câțiva ani a utiliz ării CFC -urilor înainte de interdicția definitivă a acestora ,
de oprirea producției începând din 1995, precum și interzicerea comercializării și utilizării,
începând din ianuarie 1999, cu o derogare pentru menținerea în funcțiune a instalațiilor
existente, până la sfârșitul aceluiaș i an.
În aceste condiții a fost necesară trecerea la folosirea unei alte categorii de agenți
frigorifici, la care s -au luat măsuri de stabilizare a clorului din moleculă, numiți și freoni de
tranziție. Aceștia poartă denumirea de hidroclorofluorocarburi (HCFC ) și conțin în moleculă
și hidrogen, datorită căruia Cl este mult mai stabil și nu se descompune atât de ușor sub
acțiunea radiaț iilor ultraviolete. Totuși, nici acești agenți frigorifici nu sunt complet inofensivi
pentru stratul d e ozon, astfel că s -au luat următoarele măsuri:
producția este autorizată până în 31.12.2014;
utilizarea în echipamente noi este interzisă din 1.01.1996 î n frigidere, congelatoare ,
aparate de condiționarea aerului de pe automobile particulare, transport public și
rutier, iar din 1.01.1998 și pe trenuri;
utilizarea este interzisă din 1.01.2000 în echipamente noi ale antrepozitelor frigorifice
și începând din 1.01.2001 în toate echipamentele frigorifice și de climatizare (cu unele
excepții);
utilizarea este interzisă și pentru menținerea în funcțiune a instalațiilor existente
începând din 1.01.2008.
Ca atare, s -a dezvolvat o nouă categorie de freoni, numiți hidrofluorocarburi (HFC) ,
considerați freoni de substituție definitivă, care nu conțin în moleculă atomi de clor, deci nu
au o acțiune negativă asupra stratului de ozon (ODP zero). În schimb, la fel ca și predecesorii
lor, ei au un potențial de încălzire globală (GWP) foarte ridicat, iar Comisia Europeană a emis
un Regulament [10] care se aplică echipamentelor staționare, inclusiv pompelor de căldură
care utilizează astfel de agenți frigorifici.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
40 Pentru a sistematiza informațiile referitoare la evoluția cronologică a agenților
frigorifici, precum și cu referire la acțiunea lor asupra stratul ui de ozon și efectului de seră , s-a
realizat tabelul 2.2 .
Tabel ul 2.2 – Tipuri de freoni și potențialul lor poluant
Categoria de agenți
frigorifici Acțiune asupra
stratului de ozon Efect de seră – potențial
de încălzire globală Reglementarea
CFC (R11, R12,
R113, R114 etc.) DA DA Protocolul de la Montreal
Directiva europeană
HCFC (R22, R123) DA DA 2037/2000
HFC (R134a,
R404A, R407C,
R410 etc.) NU DA Protocolul de la Kyoto
Regulamentul gazelor -F
Pe lângă cele trei categorii de agenți frigorifici menționate, există și agenți frigorifici
naturali: R290 (propanul), R600a (izobutan ul) și R717 (amoniacul ). Dintre aceștia , ultimul
este cel mai important și cel mai utilizat, datorită proprietăților sale termodinamice care îl fac
cel mai performant agent frigorific din punct de vedere al transferului termic , dar care se
folosește în combinație cu apa la agregatele de pompe de căldură cu absorbție, fie ele de tipul
apă-apă sau aer -apă. Datorită caracteristicilor termodinamice ale acestuia, precum și datorită
necesității atingerii unei cât mai mari compactități (un număr minim de utilaje), aceste pompe
de căldură prezintă o serie de particularități, și anume [28]:
temperatura exterioară minimă până la care se recomandă funcționarea este
de circa +2 C, iar temperatura ma ximă a apei de încălzire pe tur este de circa
53 C;
coeficientul de performanță atinge valori mai scăzute decât în cazul pompelor
de căldură cu compresie mecanică de vapori, și anume între (1,2 1,55).
2.4.2.3 Vaporizatoare le și condensatoare le
Aceste echipament e reprezintă – de fapt – schimbătoare de căldură în care are loc
schimbarea de fază a agentului frigorific. Cele mai des întâlnite tipuri de schimbătoare de
căldură folosite în componența agregatelor de pompă de căldură sunt:
schimbătoare de căldură de tip serpentină ( fig. 2.41 a) folosite la pompele de
căldură care utilizează aerul, fie ca sursă rece, fie ca sursă caldă, fie ambele [16];
schimbătoare de căldură de tip țevi în manta ( fig. 2.41 b) având conducte
circulare montate într -o conductă cilindrică și fiind coaxiale cu axa cilindrului;
schimbătoare de căldură cu plăci (fig. 2.41 c) – cu garnituri sau capsulate – fiind
formate din plăci subțiri având suprafețe net ede sau cu striații . Sunt cele mai
folosite pentru temperaturi și presiuni moderate.
Așa cum și în cazul schimbătoarelor de căldură subterane apar diferențe destul de
importante între variantele folosite pe cele două maluri ale Atlanticului, nici modul de
distribuire/ absorbție a căldurii din încăperi nu este același. În varianta americană se preferă
utilizarea aerului drept mijloc de vehiculare a căldurii, pe când în varianta europeană este
preferată apa.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
41
a).
b).
c).
Fig. 2.41 – Tipuri de vaporizatoare/condensatoare folosite la pompele de căldură
În mod similar cu echipamentele de climatizare, de cazane sau frigorifice, și pentru
agregatele de pompă de căldură producătorii specializați oferă agregate complexe și
compacte, care pot fi integrate în sistemele deja existente pentru alimentarea cu căldură,
respectiv frig, atât pentru aplicațiile rezidențiale, cât și pentru cele industriale.
Se vor prezenta cele două moduri diferite de abordare, cu mențiunea că în ambele
cazuri toate componentele sunt închise într -o carcasă de dimensiunea unei centrale termice p e
gaz.
A. Varianta SUA
Datorită faptului că, în majoritatea covârșitoare a cazurilor, aerul este cel care
transportă căldura, se va prezenta o pompă de căldură de tip apă -aer. Principiul de
funcționare a agregatului de pompă de căldură este același, atât pent ru cele care folosesc aerul
drept sursă de căldură, cât și pentru cele ce folosesc solul în acest scop. Diferența care apare
este aceea că primele necesită un corp exterior (sunt de tip „split”) care poate îngheța în
perioada rece a anului necesitând , deci , frecvente dezghețări. De asemenea, pentru a avea o
funcționare eficientă – atunci când temperatura exterioară este prea scăzută – sunt necesare și
surse auxiliare de căldură (electrice sau pe gaz). În fig. 2.42 se prezintă o pompă de căldură de
tip apă -aer (fluid antigel – aer), care prezintă marele avantaj – față de cele de tip aer -aer – că
sunt compacte, neavând unitate exterioară. Majoritatea pompelor de căldură lucrează cu R –
407C ca agent frigorific, acesta fiind un HCFC care are un efect mai puțin nociv asupra
mediului ambiant decât CFC -urile ( având un ODP – de 0, 05, adică de doar 5% din cel al
agenților frigorifici R -11 și R -12), reprezentând astfel o alternativă pe termen mediu l de
înlocuire a acestora.
intrare fluid
în manta
ieșire fluid
din manta manta șicană
șicană fascicul de
tuburi U fluid în manta fluid în
tuburi intrare ieșire
distribuitor
intrare distribuitor
ieșire placă fixare
tuburi
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
42
a) b)
Fig. 2.42 – Pompă de căldură compactă de tipul apă -aer
a) verticală; b) orizontală
Principalele elemente componente ale unui agregat de pompă de căldură reversibilă ,
folosit în mod uzual în sistemele cu instalații de pompe de căldură cu sursă subterană, sunt: un
compresor antrenat de un motor electric, un ventil inversor, un ventil de laminare (valvă de
expansiune) și două schimbătoare de căldură. În plus, pentru prepa rarea apei calde de consum
menajer se mai poate introduce o componentă numită desupraîncălzitor, care este, de fapt, un
schimbător de căldură. În primul schimbător are lor transmiterea căldurii între mediul ambiant
și pompa de căldură, iar în cel de -al doi lea căldura se transferă la și de la interiorul clădirii,
interior care joacă rolul de condensator sau vaporizator (în funcție de modul în care
funcționează pompa).
În cazul utilajelor de bună calitate se folosesc materiale rezistente la coroziune, de
genu l alamelor speciale, al aliajelor pe bază de Cu -Ni sau al oțelurilor inoxidabile. Un
element caracteristic pompelor de căldură reversibile este ventilul inversor, care – la
funcționarea în regim de încălzire – se deschide progresiv, cu cât apa (soluția de etilen -glicol,
antigelul) este mai rece, în timp ce la funcționarea în regim de răcire se deschide tot progresiv,
dar pe măsură ce apa (antigelul) este mai caldă.
În figurile următoare se prezintă funcționarea și ciclul parcurs de agentul frigorific
atât l a încălzire ( fig. 2.43 ), cât și la răcire ( fig. 2.44 ) [38].
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
43
Fig. 2.43 – Pompă de căldură lucrând pe ciclul de încălzire
La pompele de căldură care funcționează în modul de încălzire, solenoidul ventil ului
inversor este astfel poziționat încât gazul fierbinte evacuat de compresor este condus către
schimbătorul de căldură interior, unde are loc condensarea agentului frigorific de temperatură
ridicată. Această schimbare de fază se face cu ajutorul aerului relativ rece din interior, care
preia căldura, încălzindu -se. Prin vehicularea aerului astfel încălzit, în întreaga clădire, se
furnizează căldură diverselor spații. Lichidul rezultat în urma condensării parcurge ventilul de
laminare. Căderea de presiune rezultată la ieșirea din acest dispozitiv duce la scăderea
temperaturii, astfel încât mediul înconjurător – în cazul nostru, pământul – cedează căldură
agentului frigorific mai rece. În acest mod are loc vaporizarea agentului de lucru. Gazul –
având temper atura și presiunea mică – se reîntoarce la compresor prin intermediul ventilului
inversor.
La funcționarea în modul de răcire ( fig. 2.44 ), agentul frigorific (în stare gazoasă de
agregare) intră în carcasa compresorului având temperatură și presiune mică. În drumul său
trece pe lângă motorul compresorului, fiind încălzit de acesta înainte de intrarea în camera
propriu -zisă de compresie. Prin comprimarea agentului frigorific gazos acestuia i se ridică atât
presiunea, cât și temperatura, fiind apoi condus spr e ventilul inversor care îl trimite la
schimbătorul de căldură care se află în contact cu solul și care are rol de condensator.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
44
Fig. 2.44 – Pompă de căldură lucrând pe ciclul de răcire
Dar, cum gazul refrigerant este la o temperatură ridicată, aerul sau apa din mediul
înconjurător, care au temperatura relativ scăzută pot fi utilizați pentru a extrage această
căldură conținută de agentul frigorific. Ca urmare a acestui transfer de căldură , agentul
frigo rific se răcește, temperatura scăzându -i până la atingerea temperaturii de saturație când –
cedând în continuare căldură – va condensa. Căderea de presiune în condensator este, de
obicei, neînsemnată, agentul frigorific ieșind din condensator în stare lich idă, cu temperatura
puțin mai ridicată decât cea a mediului ambiant. În continuare, pentru a scădea presiunea la
care se află agentul frigorific, acesta este trecut prin ventilul de laminare, lucru care duce la o
scădere rapidă și a temperaturii acestuia.
Temperatura aerului din încăperile clădirii este mai ridicată decât cea a agentului
frigorific din schimbătorul de căldură interior. Ca atare, lichidul refrigerant va fi vaporizat,
proces care are loc cu absorbție de căldură. În acest caz, schimbătorul de căldură interior are
rolul de vaporizator, cu ajutorul lui realizându -se efectul de răcire dorit. Agentul frigorific
gazos este condus spre ventilul inversor, care îl direcționează înapoi în compresor.
Unele pompe de căldură pot să aibă și alte componente, cum ar fi: mai multe ventile
de laminare, ventilatoare, pompe, schimbătoare de căldură adiționale, surse auxiliare de
căldură, acumulatoare și dispozitive de control și siguranță. Totuși, principalele componente
prin care căldura este pompată între clădir e și mediul înconjurător (sursa geotermală) sunt cele
reprezentate în figurile de mai sus.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
45 B. Varianta europeană
În Europa, țările în care instalațiile cu PCSS au pătruns cel mai mult sunt țări nordice
(Suedia, Germania) sau având un climat rece (Elveția), astfel încât accentul s -a pus pe partea
de încălzire. Specific europenilor este și faptul că preferă folosirea apei drept mijloc de
transport/distribuire a căldurii în încăperi.
Din acest motiv, agregatele de pompă de căldură sunt de tipul apă -apă, fiind legate
la un sistem de încălzire clasic sau prin pardoseală ( fig. 2.45 ). În general, aceste sisteme sunt
foarte flexibile, putându -se plia foarte ușor pe diversele necesități locale.
Fig. 2.45 – Sistem european de pompă de căldură cu sursă subterană
Ciclul de funcționare este, de cele mai multe ori, bazat pe comprimarea mecanică de
vapori cu electro -compresor, iar agregatele sunt compacte, fiind introduse în carcase metalice
(fig. 2.46 ). Puteri le uzuale ale acestor pompe de căldură sunt cuprinse între 10 și 100 kW. În
construcția lor sunt incluse circuitul agentului frigorific , pompa de circulație pentru apa de
încălzire, vas de expansiune, precum și aparatura de reglare și comandă. [17]
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
46
Fig. 2.46 – Pompă de căldură de tipul apă -apă [7]
Aceste agregate utilizează fie apa freatică drept sursă de căldură – și atunci ele sunt
gândite pentru o temperatură de intrare a apei de circa 10 C sau pot utiliza o soluție antigel
(de cel e mai multe ori glicol -apă), caz în care temperatura acesteia la intrare a în vaporizator
poate coborâ și sub -5C. Temperatura apei care pleacă spre consumatorul de căldură poate
atinge valori de până la 60 C, reglajul de putere poate fi realizat și prin utilizarea unor
variatoare de frecvență pentru compresor .
Și în Europa sistemele ce folosesc pompe de căldură geotermale pot fi reversibile,
cedând căldură solului sau apei în timpul verii. De asemenea, există și sisteme combinate,
care folosesc – în aceea și instalație – atât sursa subterană de căldură, cât și aerul cald din
diversele încăperi ale unei locuințe [11].
Agenți i frigorifici uzuali pentru pompele de căldură produse astăzi în Europa fac
parte din categoria hidrofluolocarburilor (HFC) și sunt R407C și R410A, chiar dacă R717,
R404A, R134A și R290 (propan) sunt utilizați în mod curent în instalațiile de răcire și
condiționare a aerului. R22 – aparținând categoriei hidroclorofluorocarburilor (HCFC) este
prezent încă în multe echipamente, dar este interzisă folosirea lui la reumplerea circuitelor
frigorifice, până la sfârșitul an ului 2010 toate sistemele care funcționează cu R22 trebuind a fi
convertite la funcționarea cu un înlocuitor. Conform Regulamentului europe an din 2006 [10] a
devenit obligatorie verificarea scurgerilor de agent frigorific la toate instalațiile care conțin
mai mult de 3 kg de refrigerant. De asemenea, personalul care face aceste verificări trebuie să
fie certificat [15].
2.4.3 Moduri de distribuire a căldurii/frigului în instalațiile de pompe de
căldură cu sursă subteran ă
Nici modalitatea de distribuire a căldurii/frigului nu face excepție în ceea ce privește
diferențele ce există pe cele două maluri ale Atlanticului. Astfel, în SUA se preferă drept
mediu de transport al căldurii aerul , în timp ce în Europa se preferă apa.
De asemenea, există diverse modalități de conectare a instalațiilor interioare. În
fig. 2.47 se prezintă modul de distribuire a căldurii/frigului pentru un sistem cu pompă de
căldură cu schimbătoare subterane vertical e, în care fiecare încăpere are propr iul său agregat
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
47 de pompă de căldură, precum și echipamentele aferente de control și siguranță. Aceste sisteme
se pretează în cazul clădirilor mari, administrative.
Fig. 2.47 – Sistem cu pompă de căldură cu schimbătoare subterane îngropate vertical, având
o pompă de circulație și distribuire descentralizată a căldurii/frigului în clădire
În exemplul prezentat în fig. 2.47 , datorită faptului că sarcina termică este mare
(clădiri mari de încălzit/răcit) sunt necesare mai multe schimbătoare de căldură subterane
verticale. Ele au fost conectate la conducte distribuitoare și colectoare, astfel încât
spre/dinspre pompa de circul ație plea că doar două conducte. La fel și în instalația interioară.
În fig. 2.48 sunt prezentate variante alternative celei cu distribuitoare și colectoare.
Atunci când se folosește aerul drept purtător de căldură, distribuirea acestuia poate fi
centraliza tă (canale de aer cald/rece), încălzirea sau răcire aerului făcându -se într -un singur
loc, într -o singură pompă de căldură apă -aer sau poate fi descentralizată, prepararea aerului
făcându -se în acest caz local, în fiecare încăpere în parte existând un agre gat de pompă de
căldură.
În fig. 2.49 se prezintă o schemă de alimentare cu căldură/frig folosind un sistem cu
pompă de căldură cu apă subterană, distribuirea căldurii/frigului fiind făcută cu aer. Apa
subterană nu ajunge până în pompa de căldură, ea cedân du-și căldura – prin intermediul unui
schimbător de căldură cu plăci – unui circuit intermediar, închis, de apă care transportă
căldura până la agregatul de pompă de căldură unde, prin intermediul unui agent frigorific,
este cedată aerului, care va încălzi încăperea.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
48
Fig. 2.48 – Alternative la sistemele cu pompe de căldură cu schimbătoare subterane
cu conducte colectoare și distribuitoare
Fig. 2.49 – Sistem cu pompă de căldură cu apă subterană având un circuit intermediar închis
de apă și distribuire descentralizată a căldurii/frigului utilizând aerul
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
49 2.5 Situația curentă pe plan mondial privind utilizarea PCSS
Pompa de căldură cu sursă subterană reprezintă o utilizare a energiei geotermale care
a cunoscut una dintre cele mai rapide dezvoltări pe întreg mapamondul, având o rată anuală
de creștere de 10% în aproximativ 30 de țări, în ultimii 15 ani. Principalul avantaj îl
reprezintă faptul că folosesc temperatura solului sau a apei subterane (5 – 30) C, care este
disponibilă în toate țările lumii. Cea mai mare creștere a fost întâlnită în SUA și în Europa,
dar un interes crescând îl arată și alte țări, cum ar fi J aponia, China și Turcia.
În dorința de a îmbunătăți performanțele pompelor de căldură la nivel european s -au
stabilit cerințele minime din punct de vedere energetic pe care trebuie să le îndeplinească un
astfel de agregat. Ca atare, pentru a putea determin a gradul de conformare a producătorilor la
cerințele impuse, în 1993 , s-a înființat la Zurich cu centru de testare a pompelor de căldură,
introducându -se o marcă de conformitate care se aplica pe agregate. Începând cu anul 1998,
testarea s -a extins și la c ompaniile care forează și introduc SCS verticale în sol.
În anul 2003, la nivel mondial, puterea instalată este estimată la aproape 9.500 MWt,
iar producția anual ă de energie este de 52.000 TJ (14.400 GWh). Numărul total de pompe de
căldură geotermale inst alate a fost de aproximativ 800.000 de unități. În tabelul 2.3 sunt
prezentate țările care utilizează cel mai mult acest tip de instalații [39].
Tabel ul 2.3 – Instalațiile de pompe de căldură geotermale, existente pe plan mondial ,
la nivelul anului 2003
Țara Puterea instalată Energia anuală furnizată Nr. instalații
– [MW t] [GWh/an] –
Austria
Canada
Germania
Suedia
Elveția
SUA 275
435
560
2.000
440
3.730 370
300
840
8.000
660
3720 23.000
36.000
40.000
200.000
25.000
500.000
În ultimii ani, situația s -a schimbat radical, ofensiva instalațiilor cu PCSS fiind
extrem de puternică, în tabelul 2.4 fiind prezentată situația la nivel ul Uniunii Europee ne,
pentru anul 2008 [56]. Trebuie remarcat că Elveția nu face parte din UE și, ca atare, nu se
regăsește în acea stă situație, chiar dacă este țara cu cele mai multe sisteme cu PC având
SCSV.
Tabel ul 2.4 – Instalațiile de pompe de căldură geotermale, existente în țările
Uniunii E uropeene , la nivelul anului 2008 (peste 10 MW instalați)
Țara Nr. de unități Putere instalată [MW t]
1 2 3
Suedia 320687 2909
Germania 150263 1652,9
Franța 121886 1340,7
Finlanda 46412 857,9
Austria 48641 544,8
Olanda 19310 508
Polonia 11000 180
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
50 Tabel ul 2.4 (continuare )
1 2 3
Irlanda 9673 157
Italia 7500 150
Cehia 9168 147
Marea Britanie 10350 134,6
Danemarca 11250 123,8
Belgia 9500 114
Estonia 4874 63
Ungaria 350 15
Slovenia 1125 12,2
În continuare se prezintă evoluția pieței de pompe de căldură pentru câteva țări cu un
număr semnificativ de unități montate în această perioadă.
În Franța , după anul 2005 a avut loc o intensificare a creșterii numărului de PCSS
instalate, datorată – în pr incipal – creșterii prețului hidrocarburilor și a conștiinței ecologice a
populației. Totuși, comparativ cu numărul cazanelor vândute – 700.000 de bucăți în 2007,
situația nu este foarte bună. Instalațiile cu PCSS sunt montate cu precădere în locuințe noi,
dintre care peste 90 % sunt instalații individuale având o putere termică de 5 ÷ 20 kW [32].
Evoluția numărului de instalații cu PCSS montate în Franța, defalcate pe natura
sursei reci este prezentat ă în tabelul 2.5 .
Tabel ul 2.5 – Numărul instalațiilor cu PCSS vândute în Franța [6]
Tipul PCSS 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Vaporizare directă în sol 5.400 6.800 7.800 9.600 9.600 7.900
SCS sau apă 3.600 4.900 5.400 8.850 9.000 11.530
Total 9.000 11.700 13.200 18.450 18.600 19.430
În Elveția , în anul 2007, s -a ajuns la performanța ca numărul de instalații cu PCSS
nou instalate să -l depășească pe cel al cazanelor pe motorină instalate tot în construcții noi ,
devenind: 17.000 noi instalații cu PCSS, 15.000 noi cazane cu gaz și 14.000 noi cazane pe
motorină. Astfel încât, la sfârșitul anului 2007, erau în funcțiune 126.000 de unități de PCSS
[61].
Puterea instalată a sistemel or de încălzire ce utilizează PCSS de diverse tipuri se
prezintă evolutiv pe ultimii 5 ani în tabelul 2.6 .
Tabel ul 2.6 – Puterea instalată totală a sistemelor cu PCSS în Elveția [57]
Sursa rece a instalației cu PCSS Puterea instalată [MWt]
2004 2005 2006 2007 2008
SCS (vertical sau orizontal) 502,8 560,1 649,7 749,5 861,2
Apa din pânza freatică 103,5 105,1 114,4 123,5 143
Geostructuri (piloni energetici ai fundației) 7,0 7,9 8,6 8,9 10,4
Apa infiltrată în tunele 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
51 În ultimii 20 de ani, energia termică produsă de PCSS în Elveția este prezentată în
formă grafică în fig. 2.50 .
Fig. 2.50 – Producția de energie termică cu PCSS în Elveția [57]
Dacă ar fi să ne referim doar la instalațiile care folosesc SCS verticale, numărul de
foraje în care se introduc aceste SCS este în continuă creștere, doar în anul 2009 depășindu -se
1.900.000 de metri forați , iar numărul firmelor specializate în foraje pentru SCS care sunt
certificate depășește 40 [51]. În fig. 2.51 se prezintă o statistică a numărului de metri săpați
pentru introducerea SCS verticale în Elveția, făcută pe o perioadă de peste 15 ani .
Fig. 2.51 – Evoluția numărului total de metri săpați pentru SCS verticale,
în perioada 1992 ÷ 2008 [51]
SCS
Apă subterană Energie termică produsă [GWh]
1.200.000 [m]
1.000.000
800.000
600.000
400.000
200.000 – PC cu SCSV instalate în clădiri noi
– PC cu SCSV instalate în clădiri renovate
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
52 Determinarea numărului de unități de pompe de căldură livrate în Statele Unite s-a
realizat relativ greoi din cauza varietății mari de produse. În perioada 2003 ÷ 2007, numărul
de pompe de căldură cu SCS livrate de producători aproape s -a dublat, 75 % din instalațiile
destinate locuințelor se estimează a fi montate în clădiri nou co nstruite [26]. În fig. 2.52 se
prezintă evoluția PC cu SCS, pe ultimii 10 ani.
Cea mai mare dezvoltare a pieței pompelor de căldură cu SCS a fost în sectorul
comercial și cel instituțional, în special în școli și clădiri guvernamentale [29].
Fig. 2.52 – PC cu SCS livrate în SUA [29]
În Asia și zona Pacificului, se constată o creștere a cerer ii de PCSS în China, Coreea
de S ud și Japonia. Sursa rece predominantă o reprezintă apa subterană (45 %), apoi solul
(35%) și în fin al, apa de suprafață (20%). În anul 2007, în China , instalațiile cu PCSS
încălzeau 80 milioane de m2 de clădire, având o creștere de 300 % comparativ cu anul 2006,
în principal datorită Jocurilor Olimpice de la Beijing, din 2008 [40].
Primele două instalaț ii cu PCSS din Beijing au fost puse în funcțiune în vara anului
2000, iar începând din acel moment utilizarea lor s -a dezvoltat continuu. La sfârșitul anului
2008 erau în exploatare 600 de astfel de sisteme, încălzind o suprafață de 13 milioane de m2;
energia termică totală economisită prin utilizarea lor fiind de 3,23 x 1010 MJ, echivalentul
căldurii produse prin arderea a 1,84 x 106 tone de cărbune [37]. Majoritatea foloseau apa drept
sursă de căldură, foarte puține – doar 64 de unități – având SCS. Însă, după acea dată, aproape
toate instalațiile cu PC au fost cu SCS deoarece nu s-au mai eliberat autorizații de foraj pentru
apă. Clădirile care sunt încălzite cu PCSS au ca destinații: birouri, locuințe, hoteluri, școli,
piscine, centre comerciale și de agrement, sere etc.
05000100001500020000250003000035000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007Unitati livrateSector rezidential Sector comercial
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
53 2.6 Stadiul actual de utilizare în România
Pompele de căldură – ca mașini termice – sunt cunoscute și studiate la noi în țară
încă de la sfârșitul anilor ’ 70, din dorința conducerii de stat din acea perioadă de valorificare a
căldurii reziduale (conținute în ape de răcire, gaze evacuate, produse ca lde și chiar deșeuri) ,
dar și a surse lor naturale de căldură – de joasă temperatură – care se află disponibile din
abundență și fără costuri ridicate. În urma studiilor privind oportunitatea introducerii unor
astfel de instalații pentru satisfacerea consum urilor de căldură de temperatură medie și scăzută
– în principal pentru încălzirea locuințelor – s-a constatat că aplicarea pompelor de căldură de
puteri mici în România nu s -ar putea face la același nivel ca în alte state europene (Germania,
Franța, Suedi a) sau SU A deoarece acolo alimentarea cu căldură a locuințelor se realiza cu
instalații individuale, multe dintre ele folosind energia electrică, ceea ce nu era cazul
Romaniei, unde alimentarea centralizată cu căldură, respectiv termoficarea, avea o ponder e
extrem de însemnată. Condiții mult mai favorabile de aplicare au avut instalațiile de capacități
mijlocii și mari, putând fi integrate în sistemele centralizate prin valorificarea resurselor
energetice cu temperaturi scăzute (sub 60 C). Astfel, în urma activităților de cerce tare-
proiectare întreprinse de i nstitute de cercetare din București și Cluj -Napoca au fost realizate
trei prototipuri fabricate la Tehnofrig Cluj, dintre care o pompă de căldură a fost instalată la
Felix , pentru a prepara apă caldă de consum [21].
Odată cu schimbarea regimului politic, au apărut schimbări și în alimentarea cu
energie termică. Astfel, unele centrale termice de cartier s-au desființat, fiecare consumator
fiind nevoit să își asigure singur căldura necesară pe timpul iernii, iar mai apoi a avut loc o
explozie imobiliară, construindu -se într -un ritm fabulos, dar în zone în care nu exista sau nu
era economic fezabilă racorda rea la termoficare. Astfel că instalațiile cu pompă de căldură de
capacități mici, pentru locuințe unifamiliale, au început să fie aplicabile și să își găsească piață
și în România. În anii 90, țara noastră a avut o deschidere mult mai largă spre informați i
privind această tehnologie, specialiștii români deplasându -se în străinătate și putând să vadă
efectiv cum funcționează instalații le. În plus, pe lângă cei interesați doar de partea științifică a
problemei, aspectul economic și -a spus cuvântul, apărând ș i numeroase companii care
comercializau astfel de produse, unii fiind chiar unici distribuitori ai firmelor producătoare din
Germania, Austria, Suedia, Statele Unite etc. La nivelul anului 20 10, în România există peste
250 de firme care comercializează pom pe de căldură, dar doar câtev a au o activitate mai
însemnată . Din păcate, însă, reprezentanțele în România ale marilor companii producătoare de
pompe de căldură cu sursă subterană păstrează confidențialitatea atât asupra numărului de
unități vândute, cât ș i asupra puterii totale a PCSS vândute. [49]
Din discuțiile avute cu reprezentanții celor mai importante firme românești , cu
realizari notabile în domeniu , s-au cules datele sintetizate în tabelul 2.7 și fig. 2.53 și 2.54.
Tabel 2.7 – Număr de sisteme cu PCSS existente în România la sfârșitul anului 2009
PC cu SCS
PC cu apa subterană PC cu vaporizare directă PC cu apă rezi duală
orizontal vertical
47 15 103 15 1
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
54 Evoluția în timp a PCSS pe piața din România ca putere instalată este prezentată în
fig. 2.53 , iar ca număr de instalații în fig. 2.54 .
Fig. 2.53 – Puterea instalată a s isteme lor cu PCSS montate în România
Fig. 2.54 – Evoluția numărului de s isteme cu PCSS în România , pe ani 84 54 54 170 328 752
528 1599 2024
1106 2973
765
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
partial [kW]
1 1 1 6
2 14 23 28
25
21 41
18
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
partial [buc]
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
55 Se constată că majoritatea a sistemelor cu PCSS (aproximativ 60 %) folosesc apa
subterană drept sursă rec e pentru pompa de căldură și doar puțin peste o treime (34,5 %) fiind
sisteme de pompe de căldură cu schimbător de căldură subteran. Dintre cei care au optat
pentru acest tip de instalații, cei mai mulți au folosit SCS orizontale (26 % din total PCSS;
75,8 % din PC cu SCSV) , probabil din considerente economice. La nivel național există circa
15 instalații cu PCSS cu SCS vertical , ceea ce reprezintă sub 10 % din total , însă având o
putere instalată de 3900 kW (37,2 % din puterea tota lă instalată în sisteme de încalzire cu
pompe de căldură) . Valoarea relativ mare a puterii instalate în sistemele cu PC având SCSV
comparativ cu numărul sistemelor se datorează faptului că au fost montate la consumatori
mari (showroom -uri auto, hoteluri, c lădiri de birouri), având un necesar de căldură mare
(380 ÷ 1050 kW).
Dintre acestea, pe parcursul cercetărilor efectuate în vederea elaborării tezei de
doctorat au fost analizate în detaliu două sisteme.
2.7 Sisteme le cu PCSS supuse cercetării
2.7.1 Sistemul cu PCSS numărul 1
Primul sistem cu PCSS analizat este de putere mai mic ă și, relativ mai simplu.
Descrie rea lui va urmări cele trei sub sisteme tipice . Acest sistem va fi denumit în continuare
sistemul 1 de referință .
Subsistemul subteran este format dintr -un singur foraj de 70 m lungime și 210 mm
diametru, în care este introdus un SCS vertical tip dublu -U, ale cărui conducte sunt din
polietilenă de înaltă densitate, de diametru 32 mm și o grosime a peretelui conductei de 2,9
mm, cu o distanță între axele a dou ă conducte diametral opuse de 14 0 mm. Prin interiorul
acestora circulă o soluție formată din etilen glicol și apă în proporție de 25 % + 75 %.
Materialul de umplutură introdus în spațiul inelar dintre peretele forajului și conductele celor
două tuburi -U este un amestec de ciment , bentonită și apă. În plus, există și un SCSO de 70 m
lungime, format din 4 circuite în paralel, dispuse pe două nivele de adâncime: la 1,8 m și la
1,2 m. Prin conductele de 40 mm diametru exterior și 3,7 mm grosime, circulă aceea și soluție
de etilen -glicol.
Subsistemul pompei de căldură este format dintr -o pompă de căldură tip antigel –
apă, caracterizată de un coeficient de performanță de 4,36 (atunci când primește la vaporizator
antigel la 0 C și furnizează la condensator apă la 35 C), respectiv de 3,0 (atunci când
funcționează între temperaturile 0 C și 50 C). Puterea termică produsă la condensator este
de 4,8 kW în primul caz, respectiv 4,5 kW în cel de -al doilea. Agent ul frigorific din circuitul
pompei de căldură este R407C , în cantitate de 1,4 kg , compresorul este de tip Scroll, complet
ermetic, având 2900 rpm și fără posibilitate de reglare a turației, iar vaporizatorul și
condensatorul sunt schimbătoare de căldură cu plăci din oțel inoxidabil.
Subsistemul consumator de căl dură are un necesar de căldură de 2,725 kW la vârf
de sarcină, respectiv o cerere anuală de căldură de 8,63 MWh/an.
Alte caracteristici se prezintă în tabelul 2.8.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
56 Tabel ul 2.8 – Datele tehnice ale sistemului cu PCSS nr. 1
Nr.
crt. Tipul sub –
sistemului Mărimea parametrului Notație Valoare/
Descriere Unitate de
măsură
1. Subteran Conductivitatea termică a solului CSref 2000 W/mK
SCSV Capacitatea termică volumică a solului Cv 2350000 J/m3K
Temperatura la suprafața solului Tsol 14 C
Adâncimea forajului H 70 m
Diametru forajului DFref. 210 mm
Număr de foraje n 1 buc.
Diametrul conductei tubului -U DCref 32 mm
Grosimea peretelui conductei Gref 3 mm
Conductivitatea termică a materialului din
care este confecționată conducta CCref 0,42 W/mK
Distanța dintre axele a două conducte
diametral opuse DAref 140 mm
Rezistența de contact dintre materialul de
umplutură și tubul -U 0,1 (mK)/W
Conductivitatea termică a materialului de
umplutură CUref 0,80 W/mK
Conductivitatea termică a soluției din SCS CFref 0,48 W/mK
Capacitatea calorică specifică masică a
soluției din SCS c 3795 J/kgK
Densitatea soluției 1052 kg/m3
Vâscozitatea soluției 5,210-3 kg/ms
Punctul de îngheț al soluției – -14 C
Debitul pe un SCS
V 0,055 l/s
1. Subteran Diametrul conductei DCond 40 mm
SCSO Grosimea peretelui conductei Gros 3,7 mm
Conductivitatea termică a materialului din
care este confecționată conducta CC 0,42 W/mK
Adâncimea de îngropare 1 H1 1,8 m
Adâncimea de îngropare 2 H2 1,2 m
Lungimea conductei l 70 m
2. Pompă de Putere termică la condensator (0C/50C) Pterm 4,5 kW
căldură Coeficientul de performanță COP 3,0 –
Agent frigorific R407C –
Compresor Scroll,
capsulat
ermetic
Vaporizator în plăci de
oțel inox .
Condensator în plăci de
oțel inox .
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
57 Tabelul 2.8 (continuare)
3. Consumator Cererea anuală de căldură Qînc 8,63 MWh
Distribuția lunară a cererii anuale de
căldură –
Puterea termică la vârf de sarcină
vârfQ 2,725 kW
2.7.2 Sistemul cu PCSS numărul 2
Sistemul 2 supus analizelor este mai complex. Subsistemul subteran este format
din 10 foraje de câte 130 m adâncime și 150 mm diametru, având fiecare introdus în interior
un SCS de tip simplu -U. Materialul conductei din care este alcătuit SCS este polietilenă de
înaltă densitate, iar conducta are un diametru de 40 mm și o gro sime a peretelui de 3,7 mm.
Distanța dintre axele celor două conducte este de 70 mm . Cele 10 foraje sunt aranjate în formă
de dreptunghi. Prin interiorul fiecărui SCS circulă apă cu un debit de 0,18 10-3 m3/s, cele 10
SCS fiind legate în paralel la un colector -distibuitor poziționat în mijlocul câmpului de sonde,
de la care pleacă spre clădirea în care se află pompa de căldură doar două conducte .
Materialul de umplutură este nisip grosier.
Subsistemul pompei de căldură are drept caracteristică principal ă tipul pompei de
căldură: apă – apă, precum și puterea termică nominală de 35,6 kW cu un coeficient de
performanță de 5,4. Agentul frigorific este R407C, fiind prezent într -o cantitate de 3,3 kg.
Atât compresorul, cât și schimbătoarele de căldură în care are loc vaporizarea, respectiv
condensarea agentului frigorific, au aceleași caracteristici ca la sistemul 1 .
Subsistemul consumator are un necesar de căldură de 38 kW și un consum anual de
energie termică de 75,26 MWh .
Detalii se prezintă în tabelul 2.9 .
Tabel ul 2.9 – Datele tehnice ale sistemului cu PCSS nr. 2
Nr.
crt. Tipul sub –
sistemului Mărimea parametrului Valoare/
Descriere Unitate de
măsură
1. Subteran Conductivitatea termică a solului 2,00 W/mK
Capacitatea termică volumică a solului 2,35106 J/m3K
Temperatura la suprafața solului 14 C
Adâncimea forajului 130 m
Diametru forajului 0,15 m
Număr de foraje 10 buc.
Configurația forajelor dreptunghi lung 2 x 5
Diametrul conductei tubului -U 0,04 m
Grosimea peretelui conductei 0,0037 m
Conductivitatea termică a materialului
din care este confecționată conducta 0,42 W/mK
Distanța dintre axele conducte lor 0,07 m
Rezistența de contact dintre materialul de
umplutură și tubul -U 0,0 (mK)/W
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
58 Tabelul 2.9 (continuare)
Conductivitatea termică a materialului de
umplutură 2,0 W/mK
Conductivitatea termică a apei 0,572 W/mK
Capacitatea calorică specifică masică a
apei 4202 J/kgK
Densitatea apei 1000 kg/m3
Vâscozitatea apei 1,5210-3 kg/ms
Debitul de apă pe un SCS 0,1810-3 m3/s
2. Pompă de Putere termică la condensator 35,6 kW
căldură COP 5,4 –
Agent frigorific R407C –
Compresor Scroll, capsulat
ermetic
Vaporizator în plăci de oțel
inoxidabil
Condensator în plăci de oțel
inoxidabil
3. Consumator Cererea anuală de căldură 75,26 MWh
Factorul de performanță sezonier 5,0 –
Puterea termică la vârf de sarcină 38 kW
2.8 Concluzii
1. Instalațiile cu pompe de căldură reprezintă o soluție viabilă și de perspectivă
pentru valorificarea potențialului termic de joasă entalpie .
2. Pompele de căldură se construiesc în multe variante, adaptate la condițiile de
funcționare și se clasifică, în principal, după următoarele criterii:
natura procesului termodinamic care stă la baza realizării ciclului;
felul surselor de căldură;
scopul utilizării;
puterea instalată.
3. Sursele de căldură uzuale pentru pompele de căldură sunt:
aerul;
apa;
solul;
radiația solară.
4. Pompele de căldură cu sursă subterană (PCSS) utilizează energia regenerabilă a
solului (geotermală) și sunt în plină expansiune, atât în domeniul rezidențial, cât
și în cel comercial.
5. PCSS sunt structurate în trei subsisteme fundamentale:
subsistemul sursă de căldură geotermală;
subsistemul agregatului de pompă de căldură;
subsistemul de distribuție a căldurii (instalația interioară).
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
59 6. În literatura tehnico -științi fică dedicată PCSS se utilizează un limbaj dedicat, cu
accente de specificitate pentru SUA și Europa, ceea ce necesită prec izarea
echivalărilor și adaptarea terminologiei adecvate pentru România.
7. Pentru PCSS se utilizează următoarele tipuri de schimbătoare de căldură:
schimbătoare de căldură subterane verticale tip simplu -U, dublu -U,
co-axiale, conductă termică cu CO2;
schimbă toare de căldură subterane orizontale ;
schimbătoare de căldură subterane spiralate;
piloni energetici.
8. Principalele echipamente din structura agregatului de pompă de căldură sunt:
vaporizatorul;
compresorul;
condensatorul;
ventilul de laminare;
ventilul inversor, cu 4 căi.
9. Modurile tipice de distribuție a căldurii în cadrul instalațiilor cu PCSS sunt:
distribuție centralizată;
distribuție descentralizată.
10. Principalele țări care utilizează PCSS sunt:
SUA;
Germania;
Elveția;
Canada;
Suedia;
Austria.
11. În Româ nia, în ultimii 8 ani, puterea instalată în PCSS a parcurs o evoluție,
practic, exponențială, ajungându -se în 2010 la circa 10,5 MW instalați .
12. Situația sintetică actuală a utilizării PCSS în România este următoarea:
181 unități instalate;
60 % sunt cu apă subterană;
26 % sunt cu SCSO;
8,5 % sunt cu SCSV;
13. Cele două sisteme cu PCSSsupuse analizelor sunt semnificative pentru situația
actuală și perspectiva pe termen scurt privind utilizarea PCSS în România.
Pe parcursul elaborării acestui capitol autoarea a ad us următoarele contribuții :
Analiza critică și sistematizarea materialului bibliografic în care se tratează
construcția, funcționarea și utili zarea pompelor de căldură cu su rsă subterană;
Analiza comparativă a terminologiei utilizate în SUA și Europa, cu r eferire la
PCSS, evidențierea echivalențelor și a terminologiei adecvată pentru
România;
Sinteza parametrilor care caracterizează evoluția PCSS la nivel mondial și în
România, identificarea liniei de tendință ;
Definirea și caracterizarea a două sisteme cu PCSS asupra cărora se vor
concentra studiile analitice și experimentale ce fac obiectul tezei de doctorat.
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
60
[1] *** BFE – Geothermie, praktische Nutzung von Erdwärne, Swiss Federal
Office for Energy, Bern, 1998, 23 p.;
[2] Geothermal Heat Pumps, UBeG
[3] GHP Systems Inc. – prospecte de prezentare, www.ghpsystems.com
[4] HAKA GERODUR – prospect de prezentare
[5] Closed Loop Ground -Coupled Heat Pumps, Informative Fact Sheet HPC –
IFS2, IEA Heat Pump CENTRE, January 2002;
[6] *** Asociația Franceza a Pompelor de Căldură, http://www.afpac.org/
[7] *** Viessman , Prospect de prezentare
[8] *** Internet, Holodmash Compressor(Electrolux Technology) ,
http://big5.ec21.com/gate/big5/comp.en.ec21.com/Hermetic_compressor –
535274.html
[9] *** Internet www.frigotehnik.ro
[10] *** REGULAMENTUL (CE) NR. 842/2006 AL PARLAMENTULUI
EUROPEAN ȘI AL CONSILIULUI din 17 mai 2006 privind anumite gaze
fluorurate cu efect de seră
http://www.apmtm.ro/docume nte/Calitatea%20aerului%20Legislatie/Regul
ament%20GAZE%20CU%20EFECT%20DE%20SERA.pdf
[11] OCHSNER – prospecte de prezentare
[12] *** Thermische Nutzung Des Untergrunds (Thermal Use of the Underground),
VDI-guideline 4640, Proposal, Part 1 and 2, Beuth Verlag, Berlin, 1998;
[13] Antal C. ,
Bendea C. ,
Cohut I. Clasificarea pompelor de căldură cu sursă geotermală , Analele
Universității din Oradea, Fascicula Colegiului Tehnic, Economic și de
Administrație, Domeniul Tehnic, Oradea, 2002, pe CD -ROM
[14] Austin, W. Development of an In -Situ System for Measuring Ground Thermal
Properties, MSc. Thesis, Oklahoma State University, 1998, pag 164
[15] Axell, M. Europe “Heat Pumps – Status and Trends” , 9th International IEA Heat
Pump Conference, 2008, Zürich, Elveția
[16] Bălan,M. Instalații frigorifice. Teorie și programe pentru instruire , Editura Todesco,
Cluj-Napoca, 2000
[17] Bendea C. Valorificarea energiei geotermale utilizând pompele de căldură
reversibile , WEC Regional Energy Forum, Neptun, 2000, lucrare
comunicată la SECȚIUNEA POSTER
[18] Bendea C. Oportunități de utilizare a pompelor de căldură , Analele Universității
Oradea, vol. I, Fascicola: Energetică, Oradea, 2000, pag. 254 -260;
[19] Bendea, C. Studiu privind posibilitatea utilizării, în județul Bihor, a sistemelor ce
folosesc pompe de căldură subter ane, Analele Universității Oradea, vol. II,
Fascicola: Energetică, Oradea, 2001, pag. 287 -292
[20] Bendea, C. Exploatarea căldurii din minele abandonate folosind pompele de căldură ,
A XII Conferin ță Națională de Termotehnică, Constanța , 2002, pag. 314 –
319
[21] Bendea, C. ,
ș.a. Geotermalism și ape termale, Editura Universității din Oradea, Oradea, ,
Editura Universității din Oradea, 2003, ISBN 973 -613-253-6;
[22] Buffon, G.L. Histoire naturelle, generale et particuliere, De l’imprimerie royale, Paris,
1778. Commented edition – Roger, J.: Buffon, Les Epoques de la Nature,
Memoires du Museum National d’Histoire Naturelle, Serie C, Tome X,
Editions du Museum, Paris, 1962
[23] Cohut, I.,
Bendea, C. Romania update report for 1995 -1999 , Proceedings of the World
Geothermal Congress, Japonia, 2000 (pe CD -ROM)
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
61 [24] Crandall,
A.C. House Heating with Earth Heat Pump, Electrical World 126/19, New
York, 1946
[25] Eklof,C.,
Gehlin,S. TED: A Mobile Equipment for Thermal Response Test, Master’s Thesis,
Lulea University of Technology, 1996, pag. 62
[26] Ellis, D. U.S. Geothermal Heat Pump Shipment Analysis , Private Communication,
2008.
[27] Everett, J.D. On a method of reducing observations of underground temperatures,
Trans. Royal Society Edinburgh, Vol. XXII, Part II, pag. 429 439
Edinburgh, 1860
[28] Gavriliuc, R. Pompe de căldură – de la teorie la practică , Editura MatrixRom,
București, 1999;
[29] Groff, G. Heat Pumps in North America – 2008 , 9th International IEA Heat Pump
Conference, 2008, Zürich, Elveția
[30] Harlow,
J.H.,
Klapper,
G.E. Residential Heat Pump Experiments in Philadelphia – Installation and
Operating Experience, AIEE Trans 71/II, New York, 1952
[31] Humboldt,
A. von Ueber die unterirdischen Gasarten und die Mittel ihren Nachtheil zu
vermeiden, Vieweg, Braunschweig, 1799
[32] Jaudin, F.,
Ransquin, J. Investigations into GSHP development in France , Proceedings World
Geothermal Congress 2010,Bali, In donesia, 25 -29 April 2010
[33] Kavanaugh,
S.K.,
Gilbrath, C.: Cost Containment of Ground Source Heat Pumps, Tennessee Valley
Authority, Chatanooga, TN, December 1995
[34] Kavanaugh,
S.K., Pressure Ratings and Properties of HDPE Pipe, Outside the Loop, vol.2,
nr.1, pag. 2, 1999
[35] Kemler,
E.N. Methods of Earth Heat Recovery for the Heat Pump, Heating and
Ventilating, Sept. 1947, New York
[36] Lazzarin, R.: Ground as a Possible Heat Pump Source, Geothermische Energie, Nr.
32/33, martie/iunie, 2001, pag. 24 31;
[37] Liu, J., Wei,
L., Wang L.,
Jiang, J.,
Pang, J. Geothermal Heat Pump Utilization in Beijing , Proceedings World
Geothermal Congress 2010,Bali, Indonesia, 25 -29 April 2010
[38] Lund, J.: Ground -Source (Geothermal) Heat Pumps, Text-book of the European
Summer School on Geothermal Energy Applications, Oradea, 2001
[39] Lund, J.,
Sanner, B.,
Rybach, L,
Curtis, R.,
Hellstrom,
G.: Geothermal(Ground -Source) Heat Pumps – A World Overview, available
on-line at http://www.geothermie.de
[40] Makoto, T. Regional Report Asia and Pacific , 9th International IEA Heat Pump
Conference, 2008, Zürich, Elveția
[41] Mands, E.,
Sanner, B. In-Situ Determination of Underground Thermal Parameters, Text-book of
the International Summer School on Geothermal Heat Pumps, International
Geothermal Days „Germany 2001” Supplement, Bad Urach, 2001, pag.
45-54
[42] Marita, L.A. Cementitious Grouts 101, Outside the Loop, vol.2, nr.2, pag. 3, 1999
[43] Mittermayr, CO2 Thermosyphons as Heat Source System for Heat Pumps – 4 Years of
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
62 K., Rieberer,
R., Halozan
H. Market Experience , Proc. 8th IEA Heat Pump Conference, Las Vegas,
USA, 2005, s.o6_5
[44] Radcenco,
V., Florescu,
Al., Duicu,
T., Burchiu,
N. ș.a. Instalații de pompe de căldură , Editura Tehnică, Seria Termo -Frig,
București, 1985;
[45] Rafferty, K.: An Information Survival Kit for the Prospective Geothermal Heat Pump
Owner, 2001;
[46] Rafferty, K.: Well Pumping Issues in Commercial Groundwater Heat Pump Systems,
GEO -HEAT CENTER Quarterly Bulletin, Vol. 18, No. 2, aprilie 1997,
pag. 1216;
[47] Rieberer, R.,
Mittermayr,
K., Halozan,
H. CO2 Heat Pipe for Heat Pumps, IIR/IIF -Commission B1, B2, E1 și E2 –
Guangzhou, China, 2002/5, pag. 200 207
[48] Rohner, E.: Material, Construction and Installation of Borehole Heat Exchangers,
Text-book of the International Summer School on Geothermal Heat
Pumps, International Geothermal Days „Germany 2001”, Bad Urach,
2001, pag. 69 -80
[49] Rosca, M.,
Antal, C.,
Bendea, C. Geothermal Energy in Romania: Country Update 2005 -2009 , Proceedings
World Geothermal Congress 2010, Indonezia, 0129
[50] Rybach, L.: Design and Performance of Borehore Heat Exchangers / Heat Pump
Systems, Text-book of the European Summer School on Geothermal
Energy Applications, Oradea, 2001, pag. 173 182;
[51] Rybach, L.,
Signore lli, S. Country Update for Switzerland , Proceedings World Geothermal Congress
2010,Bali, Indonesia, 25 -29 April 2010
[52] Sanner, B.: Shallow Geothermal Energy, Text-book of the European Summer School
on Geothermal Energy Applications, Oradea, 2001, pag. 191 212;
[53] Sanner, B.: Geothermal Heat Pumps and Geothermal District Heating Systems – the
German Experience, International Geothermal Days, Thessaloniki, Greece,
2002;
[54] Sanner, B.,
Reuss, M.,
Mands, E. Thermal Response Test – eine Methode zur insitu -Bestimmung wichtiger
thermischer Eigenschaften bei Erdwärmesonden, Geothermische Energie
24/25, 1999 Geeste
[55] Sanner, B. Description of Ground Source Types for the Heat Pump, available on -line
at http://www.geothermie.de
[56] Sanner, B. European Geothermal Energy Council EGEC Brochure, available on -line
at http://www.egec.org/target/EGEC -Brochure%20GSHP%202009.pdf
[57] Signorelli,
S.,
Sonnenfroh,
F., Imhasly,
S., Rybach,
L., Kohl, T. Statistik der geothermischen Nutzung in der Schweiz, Ausgabe 2008 .
Bundesamt für Energie, CH -3003 Bern, 2009
[58] Skouby, A. Thermal Conductivity Testing, in: Skouby,A, Proper Engineering +
Thermally Enhanced Grouts = GeoExchange Savings, The Source, 11 –
12/98, pag . 5, 1998, Stillwater OK
Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2
Cercetări privind performa nțele energetice și de disponibilitate ale pompelor de căldură cu sursă subterană
63 [59] Smith, M. Comments on In -Situ Borehole Thermal Conductivity Testing, The Source
1-2/99, 1999, Stillwater OK
[60] Spitler, J.,
Rees, S.,
Yavuzturk,
C. More Comments on In -Situ Borehole Thermal Conductivity Testing, The
Source 3 -4/99, 1999, Stillwater OK
[61] Steinmann,
W Swiss Energy Policy: Achievements, Outlook and Role of Heat Pumping
Technologies , 9th International IEA Heat Pump Conference, 20 – 22 May
2008, Zürich, Elveția
[62] Thomson,
W. On the Reduction of Observations of Underground Temperatures, Trans.
Royal Society Edinburgh, Vol. XXII, Part II, pag. 405 427, Edinburgh,
1860
[63] Van Gelder,
G., Witte,
H.J.L.,
Kalma, S.,
Snijders, A.,
Wennekes,
R.G.A In-situ-Messung der thermischen Eigenschaften des Untergrunds durch
Wärmeentzug, Tagungsband OPET -Seminar Erdgekoppelte
Wärmepumpen zum Heizen und Klimatisieren von Gebäuden, Cottbus,
1999, pp. 56 -58, GtV, Geeste
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme cu pompe de căldură având sursă subterană CAPITOLUL 2 [631219] (ID: 631219)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.