Analiza Tehnico Economica a Unei Pompe de Caldura cu Dioxid de Carbon

Lucrare de diplomă

Analiza tehnico-economică a unei pompe de căldură cu dioxid de carbon

CUPRINS

INTRODUCERE

1. Pompe de căldură. Informații generale

1.1. Introducere

1.2. Scurt istoric

1.3. Mod de funcționare

1.4. Coeficientul de performanță

1.5. Regimul de funcționare

1.6. Avantaje, dezavantaje și riscuri

2. Clasificarea pompelor de căldură

2.1. Factori ce influențează alegerea pompei de căldură

2.2. Clasificarea pompelor de căldură

2.3. Pompele de căldură în funcție de eficiența lor

2.4. Comparații între diverse tipuri de pompe de căldură

3. Agenți frigorifici utilizați de pompele de căldură

3.1. Agenți frigorifici

3.2. Istoric 4

3.3. Compoziția chimică a freonilor

3.4. Legătura dintre freoni și stratul de ozon

3.5. Fluidele naturale de lucru ale pompei de căldură

3.6. Pompe de căldură cu dioxid de carbon

4. Studii și posibilități de creștere a performanței pompelor de căldură cu dioxid de carbon

4.1. Dioxidul de Carbon utilizat ca agent de lucru pentru pompele de căldură pentru apa caldă menajeră: O comparație cu soluțiile tradiționale

4.2. Influența temperaturilor ambientale asupra performanței unei pompe de căldură cu dioxid de carbon pentru încălzirea apei calde

4.3. Studiul parametric al performanței unei pompe de căldură cu dioxid de carbon geotermală cu expansiune directă

4.4. Evaluarea performaței unei pompe de căldură cu dioxid de carbon echipată cu ejector

4.5. Pompă de căldură cu dioxid de carbon rezidențială pentru încălzirea spațiilor și încălzirea apei menajere

5. Analiza tehnico – economică a unei pompe de căldură cu dioxid de carbon

5.1. Analiza performanțelor unei pompe de căldură cu dioxid de carbon

5.2. Studiu comparativ între pompa de căldură cu dioxid de carbon și pompă de căldură cu diferiți agenți frigorifici

5.3. Calcul comparativ între o pompă de căldură cu dioxid de carbon și o pompă de căldură cu comprimare mecanică de vapori

5.4. Studiu comparativ: încălzirea cu pompă de căldură sau încălzire cu centrală termică

CONCLUZII

ANEXA 1

ANEXA 2

BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE

Problema protejării stratului de ozon și a mediului înconjurător a determinat specialiștii în domeniul climatizării să iși îndrepte atenția spre studierea unor noi sisteme de climatizare mai puțin dăunătoare. O mare problemă de actualitate o reprezintă utilizarea freonilor ca agenți de lucru în sistemele de climatizare. O alternativă pentru aceștia sunt agenții frigorifici naturali. Dintre aceștia face parte și dioxidul de carbon, un agent natural neinflamabil, non-toxic și foarte puțin dăunător, ce funcționează în ciclu transcritic.

Pompa de căldură cu dioxid de carbon reprezintă o alternativă eficientă și de actualitate pentru sistemele de climatizare clasice, o alternativă ecologică, utilizând energie regenerabilă. De asemenea, realizează economii de energie notabile, având un coeficient de performanță bun.

În prezenta lucrare s-a realizat o analiză tehnico-economică a unei pompe de căldură cu dioxid de carbon. Lucrarea este structurată în cinci capitole, concluzii și bibliografie. În primele trei capitole sunt prezentate informații din documentarea efectuată pe parcursul realizării lucrării, în următorul capitol sunt prezentate studii efectuate în domeniu de cercetători urmând ca, în ultimul capitol, să fie efectuat calculul tehnic și economic pe baza cunoștințelor acumulate.

În primul capitol, „Pompe de căldură. Informații generale”, reprezintă o introducere în domeniul climatizării, al pompelor de căldură și este structurat în șase subcapitole, fiecare dintre ele contribuind la înțelegerea sistemului. Aici este prezentat modul de funcționare al unei pompe de căldură, coeficientul de performanță, regimurile de funcționare și avantajele și dezavantajele pe care le au acestea.

În cel de-al doilea capitol al lucrării, „Clasifiarea pompelor de căldură”, este realizată o clasificare a pompelor de căldură în funcție de putere, mod de realizare al cicului de funcționare, tipul surselor de căldură utilizate, domeniul de utilizare și comparații între tipurile de pompe de căldură.

În capitolul trei, „Agenți frigorifici utilizați de pompele de căldură” sunt prezentați agenții frigorifici utilizați în sistemele de climatizare, compoziția chimică a acestora precum și legatura dintre aceasta și daunele aduse stratului de ozon. Ca urmare, sunt prezentate fluidele naturale de lucru, ca o alternativă pentru freoni. În finalul capitolului sunt prezentate caracteristicile dioxidului de carbon, proprietățile de funcționare în ciclu transcritic al acestuia, domenii de utilizare, performanțele și beneficiile aduse de folosirea unei pompe de căldură cu dioxd de carbon.

În al patrulea capitol, „Studii și posibilități de creștere a performanței pompelor de căldură cu dioxid de carbon”, sunt analizate studiile realizate de cercetători asupra pompelor de căldură cu dioxid de carbon, performanțele obținute de aceste sisteme pentru încălzirea apei menajere, influența temperaturilor ambientale asupra acestora, studii parametrice realizate pe prototipuri îmbunătățite cu ejector, astfel încât să se obțină valori maxime ai coeficienților de performanță.

Ultimul capitol, „Analiza tehnico – economică a unei pompe de căldură cu dioxid de carbon”, cuprinde analiza tehnică a unei pompe de căldură cu dioxid de carbon în prima parte și analiza economică a acesteia în a doua parte. În prima parte sunt prezentate performanțele acesteia în urma unei simulări termodinamice realizate cu ajutorul programului Engineering Equaton Solver, o comparație între pompa de căldură cu dioxid de carbon și o pompă de căldură cu comprimare mecanică de vapori ce funcționează cu diverși agenți frigorifici. În a doua parte a capitolului este realizat un calcul economic comparativ între pompa de căldură cu dioxid de carbon și o pompă de căldură cu comprimare mecanică de vapori și un studiu economic comparativ cu o centrală termică în vederea încălzirii unui spațiu.

Ultimul capitol este urmat de o serie de concluzii ce decurg din prezenta lucrare.

Pompe de căldură. Informații generale

Introducere

Pompa de căldură reprezintă cea mai eficientă sursă de energie alternativă pentru încalzirea și racirea spațiilor utilizând căldura mediului ambiant. Denumirea este o metaforă, o comparație cu pompele de apă care pompează apa de jos în sus. Aceasta utilizează ca sursă de căldură aerul, apa sau solul, aceastea având o energie utilă care este în permanență reînnoită de soare. O pompă de căldură poate furniza energia termică necesară consumând foarte puțină energie. Poate utiliza surse de evacuare a căldurii, fabricile industriale, echipamente de răciere sau ventilare.

O mașină termică este o mașină de forță în care se produc transformări termodinamice ale unui agent termic. Mașinile termice pot fi mașini termice generatoare, care transformă energia mecanică a unor corpuri solide în energie internă a unui agent termic sau mașini termice motoare, cunoscute și sub denumirea de motoare termice, care transformă energie internă a unui agent termic în energia mecanică a unor corpuri solide.

Pompele de căldură, ca sisteme de conversie a energiei, sunt mașini termice care pot să ridice calitatea căldurii de la un nivel scăzut de temperatură la un nivel mai ridicat. Acest lucru este posibil doar dacă se consumă, din exterior, o anumită cantitate de energie. Aceasta are nevoie de cel puțin două surse de căldură: una rece și una caldă. Sursa rece preia căldura din exterior și o cedează în vaporizator agentului de lucru. Sursa caldă preia căldura de la agentul de lucru în condensator și o cedează în spațiul ce trebuie încălzit.

Figura 1.1.1 Pompa de caldura [2]

Pompele de căldură moderne oferă o reducere a emisiilor de gaze cu 6%, cu un consum de energie vizibil mai scăzut, fiind un procent mare pe care îl poate realiza o singură tehnologie. În România, consumurile de căldură și apă caldă sunt duble față de alte țări din Uniunea Europeană, emisiile poluante fiind și ele mai mari.

Cu ajutorul unei pompe de căldură se poate furniza energia termică necesară încălzirii spațiilor, a apei calde sau se pot satisface necesitățile de raciere, în funcție de anotimp și de cerințele utilizatorilor. O pompă de căldură poate înlocui o centrală pentru încălzire pe timp de iarnă, fără emisii sau pierderi de gaz, reducând mult emisiile de gaze cu efect de seră.

În aplicații din domeniul climatizării, o pompă de căldură se referă în mod normal la un dispozitiv de vaporitare-condensare care include o supapă dublu-sens și schimbătoare de căldură optimizate, astfel încât direcția fluxului de căldură poate fi inversat. Prin intermediul supapei se selectează direcția pe care circula agentul refrigerant pe parcursul unui ciclu și prin urmare, pompa de căldură poate furniza unei clădiri fie încălzire fie răcire. În climatele mai reci setarea implicită a supapei este de încălzire, în timp ce setarea implicită în climatele calde este de răcire. Pentru că cele două schimbătoare de căldură, condensator (sau, în cazul celor cu dioxid de carbon, răcitor de gaz) și vaporizator, trebuie să schimbe între ele funcțiile, ele sunt optimizate pentru a efectua în mod corespunzător în ambele moduri. Ca atare, eficiența unei pompe de căldură reversibilă este de obicei ușor mai mică decât cea a două mașini separate optimizate pentru un singur proces.

În aplicațiile de instalații sanitare, o pompa de caldură este utilizată pentru incălzirea sau preîncălzirea apei pentru piscine sau încălzitoare de apă menajeră.

În aplicatii oarecum rare, ambele capacități atât de extracție cât și de adăugare de căldură pot fi utile și de obicei rezultă în utilizarea foarte eficientă a energiei de intrare. De exemplu, atunci când un aparat de aer condiționat folosit pentru răcire poate fi adaptat la un aparat pentru încălzirea apei, o singură pompă de căldură poate sluji la două scopuri utile. Din păcate, aceste situații sunt rare din cauza cererii semnificativ diferite pentru profile de încălzire și răcire.[1]

Scurt istoric

Chiar dacă pare o tehologie nouă, pompa de căldură nu este o invenție recentă, acest concept existând incă dinainte de 1900.

La Pompei s-au găsit cazane mari, strămoașele, ale cazanelor pentru încălzit apa, cât și ale cazanelor tubulare pentru încălzire. La romani s-au descoperit o schiță a încălzirii prin pardoseală, precum și instalații de apă rece și caldă. Casele celor bogati și băile publice aveau hipocaustes (instalații subterane pentru încălzire): parterul era construit pe piloni, între care se afla un canal subteran, prin care circula aerul cald provenit de la un cuptor alăturat. În ceea ce privește apa caldă, într-o vilă din Pompei, s-a descoperit o instalație alcatuită dintr-un cuptor deasupra căruia se afla un cazan de plumb, cu fundul de cupru, alimentat cu apă rece dintr-un tub, de la un rezervor. Sala de baie primea, în același timp, apă caldă de la cazan și apă rece de la rezervor.

Figura 1.2.1 Cazan pentru încălzirea apei [3]

Prima instalație de încălzire centrală cu apă caldă cunoscută (mai comodă pentru locuințe) a fost aceea a arhitectului Bonnemain, la castelul Pecq (1777).

De asemenea, în ciuda a ceea ce se crede adesea, climatizarea locuințelor cu ajutorul instalațiilor de aer condiționat nu este o noutate: începând cu 1836, Parlamentul de la Londra era echipat cu o instalație care furniza aer rece vara și cald iarna.

Pentru a se ajunge la pompele de căldură ultra-performante care sunt folosite astăzi, a fost nevoie de o serie de elaborări teoretice și descoperiri practice.[3]

Prima pompă de căldură propriu-zisă a fost construită de inventatorul american Robert C. Webber, la sfârșitul anilor `40, prin conectarea conductelor de evacuare a caldurii din condensatorul unui congelator la un încălzitor de apă caldă. În timp ce congelatorul producea energie termică în exces, a cuplat o buclă de conducte cu apăîncălzită și, folosind un ventilator, a reușit să transfere cătrdiferite pentru profile de încălzire și răcire.[1]

Scurt istoric

Chiar dacă pare o tehologie nouă, pompa de căldură nu este o invenție recentă, acest concept existând incă dinainte de 1900.

La Pompei s-au găsit cazane mari, strămoașele, ale cazanelor pentru încălzit apa, cât și ale cazanelor tubulare pentru încălzire. La romani s-au descoperit o schiță a încălzirii prin pardoseală, precum și instalații de apă rece și caldă. Casele celor bogati și băile publice aveau hipocaustes (instalații subterane pentru încălzire): parterul era construit pe piloni, între care se afla un canal subteran, prin care circula aerul cald provenit de la un cuptor alăturat. În ceea ce privește apa caldă, într-o vilă din Pompei, s-a descoperit o instalație alcatuită dintr-un cuptor deasupra căruia se afla un cazan de plumb, cu fundul de cupru, alimentat cu apă rece dintr-un tub, de la un rezervor. Sala de baie primea, în același timp, apă caldă de la cazan și apă rece de la rezervor.

Figura 1.2.1 Cazan pentru încălzirea apei [3]

Prima instalație de încălzire centrală cu apă caldă cunoscută (mai comodă pentru locuințe) a fost aceea a arhitectului Bonnemain, la castelul Pecq (1777).

De asemenea, în ciuda a ceea ce se crede adesea, climatizarea locuințelor cu ajutorul instalațiilor de aer condiționat nu este o noutate: începând cu 1836, Parlamentul de la Londra era echipat cu o instalație care furniza aer rece vara și cald iarna.

Pentru a se ajunge la pompele de căldură ultra-performante care sunt folosite astăzi, a fost nevoie de o serie de elaborări teoretice și descoperiri practice.[3]

Prima pompă de căldură propriu-zisă a fost construită de inventatorul american Robert C. Webber, la sfârșitul anilor `40, prin conectarea conductelor de evacuare a caldurii din condensatorul unui congelator la un încălzitor de apă caldă. În timp ce congelatorul producea energie termică în exces, a cuplat o buclă de conducte cu apăîncălzită și, folosind un ventilator, a reușit să transfere cătrre rezervorul de stocare, prin convecție forțată, o cantitate de cldură. El a continuat să experimenteze cu succes, recuperând căldura din sol prin utilizarea unui colector de căldură cu temperatură redusă.

Tot în anii `40, pompa de căldură a fost recunoscută pentru eficiența sa destul de ună, însă abea în aii `70 aceasta a atins o eficiență importantă. Marea criză a petrolului a tras un semnal de alarmă și a trezit interesul de conservare a energiei, în ciuda prețurilor destul de scăzute ale energiei din acea perioadă.

Dr. James Bose, profesor la Universitatea de Stat din Oklahoma, a folosit ideea de pompă de căldură pentru a ajuta un întreprinzător local să ăncălzească apa folosită în piscină, răcind interiorul clădirii. Acesta a fost începutul noii ere în sistemele geotermale. Dr. Bose a revenit la Universitatea de Stat din Oklahoma și a început să dezvolte această idee. De atunci, Oklahoma a devenit un important centru de cercetare a pompelor de căldură.[4][5]

Mod de funcționare

Pompa de căldură este un sistem de conversie a energiei, o mașină termică ce poate ridica temperatura de la un nivel scăzut la unul înalt, până la 120°C. Transferul de căldură se realizează cu ajutorul unui agent de lucru care circulă prin instalație, schimbându-și stările de agregare. Pompele de căldură utlizează surse de energie regenerabile. Se utilizează energie de la soare înmagazinată în pământ sau apă, pentru a oferi căldură spațiilor ce trebuie încălzite. Energia electrică este utilizată doar pentru a acționa compresorul și pompa de recirculare.

Pompa de căldură este o instalație termică ce preia energia termică solară înmagazinată în sol, apă sau aer și o transferă unui spațiu ce trebuie încălzit. Utilizând apa, solul sau aerul, ce reprezintă acumulatoare de energie solară, se poate spune că pompa de căldură utilizează, indirect, energia solară, o sursă de energie regenerabilă. Deoarece pompele de căldură folosesc căldura din mediul înconjurător, sunt considerate a fi o sursă de "energie regenerabilă" în Elveția, Țările de Jos, Danemarca, Finlanda și Norvegia, fapt pentru care sunt foarte des utilizate.[6]

Funcționarea unei pompe de căldură se bazează pe al doilea principiu al termodinamicii, care afirmă că, în mod natural, căldura nu poate curge de la o sursă de temperatură scăzută la o sursă de temperatură mai ridicată. Astfel, pentru a se realiza trecerea căldurii de la un mediu cu o temperatură ridicată la unul cu o temperatură scăzută, este nevoie de un consum de lucru mecanic.

În componența unei pompe de căldură se găsesc, în mod obligatoriu următoarele componente: un compresor, un condensator, un ventil de laminare și un vaporizator. Pentru creșterea randamentului instalației, se mai pot utiliza pe langă aceste patru elemente și alte componente precum schimbatoare de caldura intermediare și elemente de automatizare.

Analiza ciclului Carnot direct și inversat duce la concluzia că pe lângă posibilitatea trensformării căldurii în lucru mecanic în motoarele termice, există și posibilitatea transferului da la un rezervor mai rece la unul mai cald. Această posibilitate se realizează practic prin cicluri inversate, în instalații frigorifice și în pompele de căldură.

În cazul ideal al unui ciclu Carnot inversat agentul de lucru, un gaz perfect, suferă într-un corp de pompă următoarele transformări (vezi figura 1.3.1):

Figura 1.3.1. Ciclul Carnot inversat [7]

1-2 → o destindere izotermă la temperatura rezervorului rece Tr în care se absoarbe o cantitate de căldură Qabs.

2-3→ o comprimare adiabatică în care agentul își ridică temperatura la valoarea Tc a rezervorului cald.

3-4→ o comprimare izotermă la temperatura Tc în care se cedează rezervorului cald o cantitate de căldură Qced.

4-1 → o destindere adiabatică care închide ciclul.

Între cantitățile de căldură și temperaturile la care se fac transformările izoterme cvasistatice reversibile rezultă o relație de direct proporționalitate:

(1)

unde Qabs reprezintă căldura absorbită în vaporizator

Qced reprezintă căldura cedată în condensator

Tr reprezintă temperatura de vaporizare

Tc reprezintă temperatura de condensare.

Din analiza ciclului Carnot inversat rezultă că fără consum de lucru mecanic este imposibil să transferăm căldură de la un corp mai rece la unul mai cald. Lucrul mecanic net cheltuit în ciclul Carnot inversat este:

(2)

Frigiderele și pompele de căldură, ca aplicații ale ciclurilor inversate, diferă între ele prin faptul că figiderele întrețin într-o incintă o temperatură Tr mai coborâtă decât temperatura Tc a mediului înconjurător, pe când pompele de căldură transferă unei incinte mai calde cantități de căldură preluate de la surse mai reci. În figura 1.3.2. se poate observa transferul de căldură, lucrul mecanic implicat și temperaturile rezervoarelor între care se face transferul pentru motoarele termice (a), pompe de căldură (b) și figidere (c).

Figura 1.3.2. (a) Motoare termice, (b) Pompă de căldură, (c) Frigider; [7]

Dacă în cazul motoarelor termice aprecierea perfecțiunii se face prin randamentul ciclului Carnot direct:

(3)

în cazul pompelor de căldură și frigiderelor există un alt indicator, numit eficiență.

Pentru pompele de căldură eficiența se definește ca raportul dintre cantitatea de căldură cedată incintei calde și lucrul mecanic consumat, deci pentru ciclul Carnot inversat:

(4)

Din această relație rezultă că eficiența este un număr supraunitar ce crește pe măsură ce temperaturile celor două rezervoare sunt mai apropiate. În figura 1.3.3. se poate urmări bilanțul energetic în cazul motoarelor termice și al pompelor de căldură.

Figura 1.3.3. Bilanțul energetic pentru un motor termic (stanga) și pentru o pompă de căldură (dreapta) [7]

Pompele de căldură folosesc ca agent termic aerul sau, mai ales, vaporii. În principiu, o pompă de căldură se compune din două schimbătoare de căldură, un compresor și un ventil de laminare. În figura 1.3.4. A și B reprezintă schimbătoarele de căldură cu mediul ambiant, respectiv cu incinta ce trebuie răcită, C este compresorul și D reprezintă ventilul de laminare a jetului de vapori sau de turbinare pentru pompele de aer. [7]

Figura 1.3.4. Schimb[toarele de c[ldur[ cu mediul ambiant, respectiv cu incinta [7]

În figura 1.3.5. se prezintă schema de principiu cu subrăcitor regenerativ SR și procesele funcționale în diagrama p–h.

Figura 1.3.5. Ciclul unei pompe de căldură cu comprimare mecanică de vapori []

Procesele care apar în ciclul instalației sunt:

→ 1' – 2 comprimarea vaporilor de agent de lucru în compresorul Cp;

→ 2 – 3 răcirea și condensarea vaporilor în condensatorul Cd, proces în care se cedează fluxul de căldură către apa care trebuie încălzită de PCV (pompa de căldră cu comprimare mecanică de vapori);

→ 3 – 3' subrăcirea agentului de lucru lichid în Cd;

→ 3' – 4 laminarea agentului de lucru în ventilul de laminare VL;

→ 4 – 1 vaporizarea agentului de lucru în Vp, proces în care se primește căldură de fluidul rece, adică de la pânză de apă freatică;

→ 1 – 1' supraîncălzire.

În proiectare se impune în general un grad de subrăcire ∆tsr = tc – t3' = 10…20 grd, se calculează temperatura după care se determină entalpia la starea (3')=(tsr)∩(pc).

Cu un grad de supraîncălzire ∆tsi = t1' – to = 10…20 grd se poate determina apoi entalpia stării (1')=(t1')∩(p0).

Datele de la care începe proiectarea instalației sunt:

necesarul de căldură pe care trebuie să-l furnizeze instalația [W];

temperatura fluidului încălzit, în acest caz apa încălzită de către pompa de căldură la ieșirea din condesator twe [°C];

temperatura fluidului rece (apa freatică) la intrarea în vaporizator tri [°C].

Proiectarea termică a instalației presupune parcurgerea următoarelor etape:

Stabilirea temperaturilor principale din ciclul frigorific:

temperatura de vaporizare: cu valori recomandate grd; [°C], cu valori recomandate grd.

temperatura de condensare [°C], cu valori recomandate grd și grd.

temperatura de subrăcire cu valori recomandate

grd în cazul freonilor și grd în cazul amoniacului.

Stabilirea presiunilor principale din ciclul frigorific:

Presiunea de vaporizare ;

Presiunea de condensare .

Stabilirea mărimilor de stare în punctele caracteristice ale ciclului frigorific:

Schimburile specifice de energie:

Lucrul mecanic specific de comprimare este dat de:

Sarcina termică specifică de condensare – subrăcire:

[kJ/kg]

Sarcina termică specifică de supraîncălzire:

[kJ/kg]

Sarcina termică specifică a vaporizatorului:

[kJ/kg]

Debitul de agent frigorific:

Debitul masic vehiculat în instalație:

[kg/s]

Debitul volumic aspirat în compresor:

[m3/s] cu [m3/s, volumul specific al vaporilor de agent frigorific la aspirația în compresor.

Schimburile de energie:

Puterea consumată de compresor:

[kW]

Sarcina termică la condensator:

[kW]

Fluxul termic primit în procesul de supraîncălzire:

[kW]

Coeficientul de performanță:

Din această relație rezultă că totdeauna eficiența este mai mare decât unitatea. Eficiența ciclurilor reale este mai mică decât a celor ideale din cauza pierderilor din compresor și din sistemul de destindere, transferul din schimbătoarele de căldură nu se face izobar ci cu pierderi de presiune, agentul termic nu esteun gaz ideal și, în sfârșit, la pompele de căldură cu aer, se folosește un ciclu deschis datorită capacității calorice reduse a aerului.

Pompele de căldură cu vapori lucrează întotdeauna un ciclu închis în vederea conservării agentului termic. În acest caz vaporii aspirați la presiunea pmin de compresor sunt apoi comprimați până la presiunea pmax când se condensează în schimbătorul de căldură B (condensator), cedând căldura Qced. Trecând prin ventilul de laminare D, lichidul își reduce presiuneala pmin, ajungând in vaporizatorul A, unde va absorbi o cantitate de căldură de la mediul rece. Datorită tranzițiilor de fază, condensare și vaporizare, capacitatea termică a agentului de lucru este mult sporită, iar pompele de căldură cu vapori au un gabarit mult mai mic decât cele cu aer. Sursa rece o constituie de obicei apa unor râuri. Posibilitățile de lucru și locurile de utilizare vor avea în vedere e eficiență reală care este necesar să fie mult mai mare decât unitatea.[7]

Coeficientul de performanță

Energia termică livrată de către o pompă de căldură, teoretic, este suma dintre căldura extrasă de la sursa de căldură și energia necesară de transport pe întregul ciclu. Performanța în starea de echilibru a unei pompe de căldură și energia necesară de transport pe întregul ciclu. Performanța în starea de echilibru a unei pompe electrice de căldură de compresie la un anumit set de condiții de temperatură, este menționată drept coeficientul de performanță (COP). Acesta este definit ca fiind raportul dintre energia termică livrată de către pompa de căldură și energia electrică necesară funcționării compresorului.[8]

Descrierea ciclului perfect termodinamic a fost elaborată de francezul Nicolas Léonard Sadi Carnot în anul 1824, stand la baza teoretică a unei pompe de căldură ideale. Ciclul ideal Carnot arată că randamentul teoretic al unei pompe de căldură depinde în cea mai mare măsură de diferența de temperatură dintre sursă și consumator. Puterea pompei de căldură crește cu scăderea diferenței dintre cele două temperaturi.

În practică, randamentul se calculează ca raport între energia obținută și energia consumată.

Figura 1.4.1. Dependența randamentului de temperatură [9]

Pe acest grafic este prezentată raportarea randamentului la randamentul încălzirii electrice. Cel mai mare randament există la ciclul ideal Carnot. Ciclul Rankine este folosit la turbinele centralelor termoelectrice unde sursa provine din arderea unui combustibil fosil. Diferența majoră este că, în cazul ciclului Rankine, comprimarea se execută de o pompă când agentul termic este în stare lichidă, iar la ciclul Carnot, comprimarea se execută de un compresor când agentul termic se află în stare gazoasă. Linia întreruptă reprezintă obișnuitele pompe de căldură cu compresor electric. Elementele Peltier folosesc gradientul diferit de temperatură a diferitelor elemente, la acțiunea curentului electric.

Coeficientul de performanță al pompe de căldură este strâns legat de diferența dintre temperatura de la sursa de căldură și temperatura de ieșire din pompa de căldură.

Pompa de căldură funcționează după ciclul Carnot inversat. Coeficientul de performanță al pompe de căldură ideale este determinată numai de temperatura de condensare.

Raportul dintre coeficientul de performanță real al pompei de căldură și coeficientul de performanță ideal este definită drept eficiența Carnot. Eficiența Carnot variază intre 0,3 – 0,5, pentru pompele de căldură mici, electrice, și 0,5 – 0,7, pentru pompele de căldură mari, în cazul celor mai eficiente sisteme.

Un indicator al realizării COP/persoană pentru diferite tipuri de pompe de căldură, la evaporarea 0°C și temperatura de condensare 50°C, este prezentat în tabelul 1.4.1.:[9]

Tabelul 1.4.1. COP pentru diferite pompe de căldură [9]

Performanța de exploatare a unei pompe de căldură electrice, pe parcursul sezonului, se numește factor de performanță sezonieră (FPS) . Acesta este definit ca raportul dintre energia termică livrată ș energia toatală furnizată pe parcursul sezonului. Se ia în considerare variabila de încălzire și/sau cerereade răcire, sursa de căldură variabilă și media temperaturii de peste an, și include cererea de energie pentru procesul frigorific cerut.

Factorul de performanță sezonieră poate fi folosit pentru a compara pompele de căldură cu sistemele de încălzire convenționale (cazane, de exemplu), în ceea ce privește economisirea de energie primară și reducerea emisiilor de CO2. Pentru evaluarea pompelor electrice de căldură pentru generare de energie se ia în considerare și eficiența centralelor electrice convenționale.

Ciclul Carnot inversat și ideal (figura 1.4.3.):

4 – 1 → vaporizare

1 – 2 → comprimare

2 – 3 → condensare

3 – 4 → expansiune

Figura 1.4.2. Ciclul Carnot inversat și ideal [10]

Figura 1.4.3. Diagrama T – s a ciclului [10]

Diagrama T – s a ciclului:

T – temperatura corpului care primește căldura (agentul termic);

Tu – temperatura corpului din care se extrage căldura (sursa rece);

e – coeficienul de eficiență după Carnot

T- Tu – diferențade temperatură între corpul cald și corpul rece (temperatura exprimată în grade absolute Kelvin);

Suprafața a – energia preluată din mediul înconjurător;

Suprafața b – energia consumată de compresor;

a+b – energia totală cedată agentului termic;

s – entropia (continutul de energie la o stare dată).

Această diagramă prezintă un caz ideal. În natură nu există procese ideale din cauza pierderilor termice, mecanice și electrice. Coeficientul de performanță real (COP) depinde de ecartul de tempratură dintre sursa rece și agentul termic. Dacă se dorește o eficiență maximă, atunci diferența între sursa rece (apă, aer, sol) și agentul termic trebuie să fie cât mai mică. Pentru realizarea acestui deziderat se vor folosi sisteme de distribuție a căldurii cu temperaturi coborîte (30°÷40°) și anume: încălzire în suprafață (încălzire în pardoseli, în pereți, plafoane) și/sau ventiloconvectoare. Folosirea sistemelor clasice este posibilă, dar cu prețul scăderii drastice a COP-ului.

Este obligatoriu și esențial ca în momentul când se prezintă coeficientul de performanță al unei pompe de căldură să se precizeze temperatura sursei reci și temperatura agentului termic.

Putem concluziona, pe baza celor prezentate, că eficiența unei pompe de căldură crește odată cu scăderea diferenței de temperatură între sursa rece și agentul termic.

Figura 1.4.4. Modificarea COP în funcție de diferența de temperatură ΔT [10]

Dacă se calculează raportul putere termică produsă/ putere cedată de sursa rece + puterea electrică absorbită de compresor, se va constata că acest raport corespunde cu coeficientul de performanță real descris anterior.

În momentul când spunem că o pompă de căldură are un COP=5 (precizand și ecartul de temperatură), spunem de fapt că respectiva pompa de căldură produce cu 1 kW putere electrică 5 kW putere termică. Acesta reprezintă “randamentul” unei pompe de căldură dar, fiind supraunitar s-a recurs la o altă denumire a acestuia, și anume coeficient de performanță. Valoarea COP- lui este o valoare momentană ( întodeuna supraunitară). Pentru a putea stabili un COP cât mai apropiat de relitate se ia în calcul o perioadă mai lungă, de exemplu un an, și se stabilește un COP anual, care este evident diferit de cel momentan (de obicei la calcularea lui se ține cont de toate consumurile auxiliare, cum ar fi pompele de extracție, recirculare, etc). Producătorii și furnizorii profesioniști de pompe de căldură indică acest COP în specificațiile tehnice precizând automat și ecartul de temperatură.

Coeficientul de performanță al pompei de căldură pentru regimul de răcire (climatizare de vară) este denumit și EER – eficiență energetică de răcire. Valoarea eficienței energetice de răcire are o importanță deosebită la dimensionarea pompei de căldură reversibile, deoarece puterea de răcire a unei pompe de căldură este, de regulă, mai mică decât puterea de încălzire a acesteia.

În momentul de față, pompele de căldură foarte performante au un COP cuprins, în general, între 3.5 – 5.5 și, în mod excepțional depașesc aceste valori ( bineînteles la ecarturile minime de temperatură). [10]

Factorii care afectează performanța pompei de căldură

Performanța pompei de căldură este afectată de un număr mare de factori:

factorii climatici locali specifici fiecărei zone – încălzirea anuală și cererea de răcire cât și sarcinile de vârf maxim;

temperaturile de la sursa de căldură și sistemul de distribuție al căldurii;

consumul de energie auxiliar (pompele de recirculare, ventilatoarele, ventiloconvectoarele, radiatoarele, căldura suplimentară pentru sistemul bivalent, etc);

nivelul tehnic al pompei de căldură;

dimensionarea pompei de căldură în ceea ce privește cererea de energie termică și caracteristicile de funcționare ale pompei de căldură;

sistemul de control al pompei de căldură. [8]

Regimul de funcționare

Contrar părerilor multor specialiști pompele de căldură pot funcționa fără ajutorul altor surse de căldură, tehnologia actuală permițând acest lucru fără probleme, pentru anumite pompe e căldură. Dacă până acum cațiva ani doar pompele de căldură sol – apă și/sau apă – apă erau capabile să funcționeze fără ajutorul altor surse, acum, după apariția unor modele inoc’vatoare de la MITSUBISHI ELECTRIC și pompele de căldură aer – apă pot funcționa fără cooperarea cu alte surse.

Bineînțeles există situații în care se dorește sau se impune și funcționarea împreună sau alternativ cu alte surse. Sunt posibile următoarelor regimuri de funcționare:

Monovalent – pompa de căldură furnizează toată energia necesară, singura sursă de încălzire, folosind ca purtator energetic energia electrică;

Bivalent – pompa de căldură furnizează energia necesară împreună cu alte siteme;

bivalent – paralel: se folosește o pompă de căldură simultan cu o altă sursă de căldură; în cazul în care sursa ce funcționează în paralel cu pompa de căldură folosește energia electrică, atunci vorbim despre un sistem bivalent – paralel monoenergetic;

bivalent – alternativ: în această situație funcționează sau pompa de căldură sau cealaltă sursă de încălzire;

bivalent – parțial – paralel.[11]

Figura 1.5.1 Pompă de căldură în regim de funcționare bivalent [13]

Pompele de căldură moderne sunt sisteme monovalente, excepție făcând modelul aer – apă. Faptul că energia captată este la dispoziție 365 zile din an, zi și noapte este unic în domeniul energiilor neconvenționale (energia solară și eoliană nu sunt disponibile non stop). Energia captată de pompa e căldură apă – apă provine din interiorul pământului unde temperaturile sunt foarte mari. Această energie este practic inepuizabilă, temperatura apei în pânza freatică, fiind practic constantă pe toată durata anului. Energia captată de pompa de căldură sol – apă provine de la soare care trimite spre terra zilnic cantități uriașe de energie, aceasta fiind înmagazinată în sol.

Evaluarea fiecărei situații în parte este foarte importantă pentru a alege pompa de căldură potrivită pentru situația dată deoarece o pompă de căldură dimensionată corect duce la eficientizarea sistemului energetic cu costuri de exploatare minime, fără uzură suplimentară a componentelor și siguranța investiției în viitor. Panourile solare pot da un supliment substanțial la încălzirea spațiului locativ, ele ajută pompa de căldură foarte efectiv, costurile de exploatare a spațiului locativ fiind astfel eficientizate la maxim.[12]

Avantaje, dezavantaje și riscuri

Utilizarea unui sistem de încălzire cu pompă de căldură este avantajos atât din punct de vedere economic, cât și ecologic, sursele de energie fiind ușor accesibile. Având în vedere că nu se folosește flacară deschisă, nu există pericol de explozie și nu este necesară utilizarea coșurilor de fum.

Avantajele pe care le prezintă folosirea unui sistem de încălzire cu pompe de căldură:

Costuri reduse din punct de vedere al energiei și a întreținerii instalației

Pompele de căldură utilizează căldura solară înmagazinată în aer, apă și sol, resurse naturale ce se regenerează continuu. Energia termică produsă de pompa de căldură este obținută prin utilizarea energiei solare pastrate în aer, apă și sol, în proporție de 75%, și completată de numai 25% energie de propulsie sub formă de curent electric. Prin urmare folosirea pompelor de căldură reduce dependența de prețurile în continuă creștere a petrolului și gazelor naturale,  reflectată în reducerea cu până la 50% a costurilor cu energia (este cazul țărilor vestice, unde energia electrica este mai ieftină decât în Romania). În exploatare, realizează economii de până la 75% față de centralele obișnuite, fapt ce permite amortizarea investiției inițiale într-o perioadă scurtă de timp, de 2,5 – 5 ani. Întreținerea instalațiilor este foarte simplă și deloc costisitoare, neexistând materiale consumabile ce presupun întreținere frecventă.

Reversibilitatea instalației

Sunt reversibile, iarna încălzind locuința, iar vara o pot climatiza, fără investiții suplimentare în alte dispozitive, cu consumuri de energie electrică foarte mici, printr-o simplă inversare a ciclului.

Ecologice

Pompele de căldură încălzesc fără generarea unei flăcări, și astfel nu sunt emise substanțe toxice. Tehnologia avansată ce asigură funcționarea pompelor de căldură ajută la conservarea naturii pentru generațiile următoare. Sistemele care utilizează pompe de căldură ajută la protejarea mediului înconjurător prin reducerea semnificativă a emisiilor de CO2. De asemenea înlătură inconveniențele provocate de utilizarea combustibililor clasici,de transport, stocare și poluare.

Siguranță în funcționare

Sunt foarte sigure din punct de vedere al exploatării, nereprezentând riscuri de explozie sau foc.

Silențioase

Datorită izolării sunetului și vibrațiilor, pompele de căldură sunt deosebit de silențioase.

Furnizează apă caldă

Necesarul de apă caldă menajeră pentru gospodărie poate fi asigurat prin sistemul de încălzire cu pompa de căldură și presupune doar existența unui cazan de colectare.

Compacte

Pompele de căldură pot fi amplasate în condiții optime în orice spațiu locuibil, dar și în orice pivniță sau spațiu de depozitare, atâta timp cât este un mediu uscat și ferit de rugină. Centrala termică cu pompă de căldură necesită un spațiu similar unei mașini de spălat. Sunt disponibile variante compacte special create pentru apartamente.

Diversitate/Flexibilitate:

Pompele de căldură sunt disponibile în forme variate, atât din punct de vedere al alimentării, al capacității, al funcțiilor suplimentare (de ex: aerare, recuperare căldură, răcire, etc) sau al destinației (apartament, clădiri noi, clădiri reabilitate, etc).

Durată de viață mare

Datorită tehnologiei folosite pentru execuție, a materialelor utilizate și a modului de funcționare durata de viață este foarte mare, de peste 20 ani.[14]

Dezavantajele și riscurile pe care le prezintă folosirea unui sistem de încălzire cu pompe de căldură:

Necesită un debit relativ mare de apă;

Capacitatea limitată de funcționare pe timp de îngheț; în această perioadă încălzirea se obține cu ajutorul unui încălzitor cu rezistență electrică – consumator de energie electrică;

Calitatea apei freatice (sedimente sau săruri dizolvate peste limitele admise de producătorii de pompe de căldură);

La debite mari de apă, sunt antrenate și cantități relativ mari de sedimente care pot colmata puțul de injecție;

Impune costuri mari de instalare.[15]

Dacă se ia în considerare faptul că pompele de căldură pot satisface încălzirea interioara, încălzirea apei calde și nevoile de răcire, în toate tipurile de clădiri, precum și cerințele industriale de încălzire, se poate spune că pompele de căldură au un potențial mare in întreaga lume.

Din emisiile de CO2 la nivel mondial, care se ridicau la 22 miliarde de tone in 1997, încălzirea clădirilor este vinovată în procent de 30% și activitățile industriale de 35%. Potențialul de reducere a emisiilor de CO2 cu pompe de căldură se calculează după cum urmează:

6,6 miliarde de tone de CO2 provin din încălzirea clădirilor (30% din totalul emisiilor);

1,0 miliarde de tone pot fi salvate de pompele de căldură rezidențiale și comerciale, presupunând că acestea pot furniza 30% din încălzire pentru clădiri, cu o reducere a emisiilor de 50%;

Un minim de 0,2 miliarde de tone pot fi salvate de pompele de căldură industriale (estimare bazată pe un studiu realizat între anii 1992-1996 cu o participare calificată – Departamentul American al Energiei, Oficiul de Tehnologii industriale, în numele SUA. Țările participante au fost: Canada, Franta, Japonia, Olanda, Norvegia, Suedia, Marea Britanie, si SUA.). [16]

Clasificarea pompelor de căldură

Factori ce influențează alegerea pompei de căldură

Pompele de căldură sunt cele mai eficiente surse de energii alternative pentru echipamentele de încălzire și răcire a clădirilor, utilizând sursa de căldură regenerabilă din jurul nostru. Chiar și la temperaturi scăzute, aerul, pământul și apa conțin energie utilă care este permanent reînnoită de soare. Utilizând ca surse de căldură solul, apa și aerul, se utilizează indirect energia solară, care este nelimitată.

Pentru a putea alege corect o pompa de căldură pentru încălzire, trebuie să fie cunoscute:

dimensiunile imobilului ce urmează a fi încălzit (suprafața locuibilă și încălzită, înălțimea medie a încăperilor);

zona geografică în care se află obiectivul;

posibilitățile de instalare a altor sisteme de încălzire (gaze, combustibil lichid, combustibil solid etc.);

posibilitățile de la fața locului de valorificare a “sursei reci” (apă, aer,sol);

existența altor surse de încălzire (pentru stabilirea regimului de funcționare al pompei de căldură);

condițiile de alimentare cu energie electrică (rețea mono- sau trifazată, puterea electrică maximă permisă pe racordul electric).

Conform normelor europene, calculul sarcinii termice necesare se raporteză la metrul pătrat de suprafață [W/mp]:

• 45-60 W/mp construcții noi (reglementare din 2002)

• 50-60 W/mp construcții noi (reglementare din 1995)

• 70-90 W/mp construcții realizate înainte de 1995

• 120 W/mp construcții vechi realizate fără nici un fel de reglementări. [17]

Clasificarea pompelor de căldură

Sunt cunoscute mai multe puncte de vedere în conformitate cu care sunt clasificate instalațiile de pompe de căldură, o clasificare completă și riguroasă fiind foarte dificilă din cauza numeroaselor tipuri constructive și condițiilor de funcționare.

În funcție de puterea instalată, pompele de căldură pot fi:

instalații mici: folosite pentru prepararea apei calde având o putere de pâna la 1 kW;

instalații mijlocii: destinate în principal pentru climatizare și încălzire pe întreaga durată a anului în locuințe relativ mici și birouri. Puterea necesară acționării este cuprinsă între 2 până la 20 kW iar puterea termică poate ajunge până la 100 kW;

instalații mari: pentru condiționare și alimentare cu căldură. Aceste instalații sunt cuplate de regulă cu instalații de ventilare, de multe ori având și sarcina frigorifică servind la răcirea unor spații de depozitare sau servind patinoare artificiale. Puterea de acționare este cuprinsă între câtiva zeci și sute de kW iar puterea termică depășește în general 1000 kW;

instalații foarte mari: folosite în industria chimică, farmaceutică pentru instalații de vaporizare, concentrare, distilare. Puterea termică este de câteva mii de kW și din această cauză sunt acționate numai de compresoare.

În funcție de modul de realizare a ciclului de funcționare și de forma energiei de antrenare:

Pompa de căldură cu comprimare mecanică de vapori sau gaze:

Acestea sunt prevăzute cu compresoare cu piston, turbocompresoare, compresoare elicoidale antrenate de motoare electrice sau termice. În cazul acestei pompe de căldură este posibilă atingerea unor temperaturi ridicate cu ajutorul sistemelor în mai multe trepte, dar acestea sunt complexe și necesită investiții mari. Problema cheie constă în găsirea unor fluide capabile să condenseze la temperaturi de peste 120ºC. Utilizarea amestecurilor non-azeotrope poate contribui la soluționarea problemei și permite chiar atingerea unei eficiențe ridicate.

Figura 2.2.1 Schema unei pompe de căldură cu comprimare de vapori [11]

Pompe de căldură cu comprimare cinetică:

Acestea sunt prevăzute cu compresoare cu jet (ejectoare) și care utilizează energia cinetică a unui jet de abur. Datorită randamentului foarte scăzut al ejectoarelor și al consumului ridicat de abur de antrenare acest tip de pompe de căldură este din ce în ce mai puțin utilizat.

Pompe de căldură cu comprimare termochimică sau cu absorbție

Aceste pompe de căldură consumă energie termică, electrică sau solară. Ele prezintă avantajul de a utiliza căldura recuperabilă cu un preț scăzut și nu prezintă parți mobile în mișcare.

Figura 2.2.2 Schema unei pompe de căldură cu absorbție [11]

Pompe de căldură cu compresie-resorbție

Acestea se află încă în stare experimentală, dar sunt foarte promițătoare deoarece combină avantajele sistemelor cu compresie cu cele ale sistemelor cu absorbție. Aceste pompe sunt capabile sa atingă temperaturi ridicate de până la 180 ºC și valori ridicate ale coeficientului de performață. Agenții termici de lucru pot fi soluții binare inofensive.

Pompe de căldură termoelectrice

Aceste pompe de căldură sunt bazate pe efectul Peltier și consumă energie electrică.

În funcție de tipul surselor de căldura în care este înmagazinată energia solară, pompele de căldura pot fi:

Aer – aer

Au ca sursă de căldură aerul atmosferic și folosesc aerul ca agent purtător de căldură în clădirile în care sunt montate. La acest tip de instalații, inversarea ciclului este deosebit de ușoară. Astfel, în sezonul rece, instalația este utilizată pentru încălzire, iar în sezonul cald, pentru condiționare.

Figura 2.2.3 Incălzirea cu pompă de căldură aer – aer [18]

Apă – aer:

Folosesc ca sursa de căldura apa de suprafață sau de adâncime, apa caldă evacuată din industrie, agentul purtător de căldura fiind aerul.

Sol – aer:

Folosesc ca sursă de căldură solul iar agentul purtător de căldură este aerul.

Soare – aer:

Folosesc ca sursă de căldură energia termică provenită de la soare prin radiație, iar agentul purtător de căldură este aerul.

Aer – apă:

Folosesc ca sursă de căldură aerul, iar ca agent purtător de căldură apa.

Figura 2.2.4 Utilizarea unei pompe de căldură aer – apă [20]

Apă – apă:

Folosesc ca sursă de căldură apa, iar ca agent purtător de căldură tot apa.

Figura 2.2.5 Incălzirea cu pompă de căldură apă – apă [20]

Sol – apă:

Folosesc ca sursă de căldură solul, iar ca agent purtător de căldură apa.

Figura 2.2.6 Incălzirea cu pompă de căldură sol – apă [20]

Soare – apă:

Folosesc ca sursă de căldură radiația solară, iar ca agent purtător de căldură apa. [18]

Clasificarea pompelor de căldură în funcție de sursa de căldură

Performanța tehnică și economică a pompei de căldură este strans legată de caracteristicile sursei de căldură. O sursa de căldură ideală pentru pompele de căldură în clădiri are o temperatură înaltă și stabilă în timpul sezonului rece, este abundentă și disponibilă, nu este corozivă sau poluantă, are proprietăți favorabile termofizice și utilizarea acesteia necesită investiții reduse și costurile operaționale mici. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor disponibilitatea sursei de căldură este factorul cheie care determină utilizarea acesteia. Tabelul de mai jos prezintă frecvența utilizării surselor de căldură cunoscute: aerul înconjurător și aerul evacuat, solul și apele subterane, sunt surse de căldură practice pentru sistemele mici de pompe de căldură, în timp ce marea/lacul/apa râului, roca (geotermală) și a apele reziduale sunt utilizate pentru sistemele de pompe de căldură de capacități mai mari.

Tabelul 2.2.1: Frecvența utilizării surselor de căldură

Figura 2.2.7 Grafic COP – Temperatură de condensare [19]

Aerul înconjurător

Este gratuit și disponibil pe scară largă, și este sursa de căldură cea mai frecventă pentru pompele de căldură. Pompele de căldură ce utilizează ca sursă de căldură au un factor de performanță sezonieră cu 10÷30 % mai mic în comparație cu pompele de căldură ce folosesc ca sursă apa. Acest lucru se datorează în principal scăderii rapide a capacității și a performanței odată cu scăderea temperaturii în aerul liber, în sezonul rece. În zonele cu climă blândă și umedă, înghețul se va acumula pe suprafața externă a vaporizatorului în intervalul de temperatură de 0-6 °C, care conduce la capacitate și performanță redusă a sistemului de pompe de căldură. Decongelarea bobinei se realizeaza prin inversarea ciclului pompei de căldură sau prin alte mijloace mai puțin eficiente energetic. Consumul de energie crește și, per ansamblu, coeficientul de performanță al pompei de căldură scade cu creșterea frecvenței de dezghețare.

Figura 2.2.8 Schema unei pompe de căldură ce are ca sursă aerul [21]

Aerul evacuat

Este o sursă de căldură comună pentru pompele de căldură în clădirile rezidențiale și comerciale. Pompa de căldură recuperează căldură din aerul de ventilație și ofera apa și/sau încălzirea spațiului. Functionarea continuă a sistemului de ventilație este necesară în timpul sezonului de încălzire sau pe tot parcursul anului. Unele unități sunt, de asemenea, concepute pentru a utiliza atât aerul evacuat cât și aerul înconjurător. Pentru clădirile mai mari, pompele de căldură alimentate cu aerul evacuat (viciat) sunt adesea utilizate în combinație cu unități aer-aer de recuperare a căldurii.

Apa solului

Este disponibilă la temperaturi stabile (4-10 °C) în cele mai multe regiuni. Sistemele deschise sau închise sunt utilizate ca un robinet, în cazul acestei surse de căldură. În sistemele deschise, apele subterane sunt pompate în sus, răcite și apoi reinjectate în pânza freatică printr-un puț separat, sau deversate la suprafață într-o acumulare de apă. Sistemele deschise trebuie să fie atent proiectate pentru a evita problemele, cum ar fi înghetarea sau coroziunea. Un dezavantaj major al pompelor de căldură sol-apă este costul mai mic de instalare la sursa de căldură. În plus, reglementările locale pot impune restricții severe în ceea ce privește interferarea cu pânza freatică și posibilitatea de poluare a solului.

Figura 2.2.9 Schema unei pompe de căldură apă – apă [21]

Sistemele ce au ca sursă de căldură solul

Sunt utilizate pentru aplicații rezidențiale și comerciale și au avantaje similare cu sistemele cu sursă de căldură apa, adică au temperaturi anuale relativ ridicate. Căldura este extrasă din țevi dispuse orizontal sau vertical în sol. Capacitatea termică a solului variază în funcție de conținutul de umiditate și de conținutul de umiditate și de condițiile climatice. Datorită extragerii căldurii din sol, temperatura solului va scădea în timpul sezonului de încălzire. În regiunile cele mai reci, energia se extrage ca o căldură latentă când solul îngheață- Cu toate acestea, vara, soarele va ridica la loc temeratura solului și face posibilă recuperarea completă a căldurii.

Figura 2.2.10 Variația temperaturii cu adâncimea solului [22]

Roca (caldura geotermală)

Poate fi folosită în regiunile cu sau fără apariția neglijabilă a apei subterane. Adâncimea țevii variaz între 100 – 200 de metri. Pentru o mai mare capacitate termică este nevoie ca găurile forate sa fie înclinate pentru a ajunge la un volum mai mare de rocă. Acest tip de pompă de căldură este întotdeauna legată de un sistem de saramura cu țevi sudate din plastic pentru extragerea căldurii din roci. Unele sisteme în clădirile comerciale utilizează roca de căldură și pentru extragerea temperaturii mai reci pe timp de vară. Din cauza costului relativ ridicat al operațiunii de foraj, roca este rareori atractiv economic pentru uzul casnic.

Râurile și apa lacurilor

O sursă de căldură foarte bună, dar are dezavantajul major al temperaturii scăzute în timpul iernii (aproape de 0 °C). O importanță deosebită trebuie acordată proiectării sistemului pentru a evita înghețarea vaporizatorului.

Apa de mare

Poate fi considerată o excelentă sursăde căldură, în anumite condiți și este folosită în principal pentru instalațiile mijlocii și mari de pompe de căldură. La o adâncime de 25 – 50 de metri, temperatura mării este constantă (5-8 °C), iar formarea gheții nu este în general o problemă (punctul de congelare la -1 °C și -2 °C). Ambele sisteme sunt cu expansiune directă. Este foarte important să se utilizeze schimbătoare rezistente la coroziune, atât pentru a minimiza agățarea materiilor organice din conductele de apă de mare, cât și pentru a nu coroda schimbătoarele de căldură, boilerele etc.

Apele reziduale

Sunt caracterizate de o temperatură relativ ridicată și constantă pe tot parcursul anului. Exemple de surse de căldură posibile în această categorie sunt deversările din canale (apele uzate și tratate sau netratate și apa de canalizare), deșeurilede apă industrială, apa de răcire din uzinele de refrigerare. Constrângerile majore pentru utilizarea în clădirile rezidențiale și comerciale sunt, în general, distanța până la utilizatorul final și disponibilitatea variabilă a fluxului de căldură a deșeurilor.Cu toate acestea, apele reziduale pot servi ca o sursă de căldură ideală pentru pompele de căldură industriale pentru a realiza economii de energie în industrie.[19]

În funcție de domeniul de utilizare a pompelor de căldură se pot clasifica în:

Pompe de căldură utilizate pentru încălzirea și condiționarea aerului în clădiri

Aceste pompe de căldură utilizează aerul atmosferic ca sursă de căldură, fiind recomandabile în regiunile cu climat temperat.

Pompe de căldură folosite ca instalații frigorifice și pentru alimentarea cu căldură

Aceste pompe de căldură sunt utilizate succesiv pentru răcire în timpul verii și pentru încălzire în timpul iernii.

Pompe de căldură folosite ca termocompresoare

Acestea sunt utilizate în domeniul instalațiilor de distilare, rectificare, congelare, uscare.

Pompe de căldură utilizate în industria alimentară ca termocompresoare, precum și în scopuri de condiționare a aerului sau tratare a acestuia, în cazul întreprinderilor de produse zaharoase, respectiv cel al antrepozitelor frigorifice de carne.

Pompe de căldură destinate industriei energetice.

În acest caz , ele sunt folosite pentru încălzirea camerelor de comandă, sursa de căldură fiind, spre exemplu, apa de răcire a condensatoarelor sau căldura evacuată de la generatoarele și transformatoarele electrice.

Pompe de căldură utilizate pentru recuperarea căldurii din resursele energetice secundare

Se recomanda valorificarea prin intermediul pompelor de căldura a căldurii evacuate prin condensatoarele instalațiilor frigorifice sau a energiei apelor geotermale.

Pompe de căldură folosite în industria de prelucrare a laptelui

Acestea sunt utilizate simultan pentru răcirea laptelui și prepararea apei calde. [18]

Pompele de căldură în funcție de eficiența lor

La ora actuală se utilizează frecvent 4 tipuri de pompe de căldură. În funcție de eficiența lor, acestea sunt: pompe de căldură apă – apă (extrage căldura din apa din pânza freatică), cu vaporizare directă în sol, foraj la adâncime (antigel, soluții cu glicol) și aer – apă (extrage căldura din aerul exterior).Fiecare pompă de căldură are avantajele si dezavantajele ei. De aceea ete necesară consultarea unui specialist în domeniu în vederea aegerii variantei optime de incălzire pentru un anumit spațiu.

Varianta cea mai eficientă o reprezintă sistemul de încălzire cu pompă de căldură apă – apă.Aceasta are un coeficient de performanță de 5 sau chiar 6. La ora actuală, acesta reprezintă cel mai eficient sistem de încălzire din lume. Condiția principală este ca pânza de apă freatică să fie la o adâncime sub 20 m, debitul de apă să fie constant si peste 2 m3/h, iar temperatura apei trebuie să fie peste 8 °C.

A doua variantă, și cel mai sigur sistem, este cea cu colectare pe orizontală cu vaporizare directă. Este vorba de un sistem cu tuburi din cupru, izolate anticiroziv, care sunt poziționate la o adâncime de circa 1,2 pana la 1,4 m (deoarece la această adâncime există suficientă căldură, indiferent de anotimp), întinse pe o suprafață egală cu suprafața de încălzit x 1,5. De aici rezultă că acest sistem este condiționat de suprafața liberă din jurul casei. Coeficientul de performanță al acestui sistem poate ajunge până la 4,5, uneori până la 5,3. Există și varianta cu sisteme care se bazează pe suprafață dar acelea au țevi cu glicol (antigel), însă nu au eficiența celor cu vaporizare directă, ajungând la un coeficient de performanță de maxim 4, real.

În cazul în care nu se dispune de apă freatică sau de suprafața necesară, o altă variantă de încălzire ar fi varianta forajului la adâncime sau al unei pompe de căldură aer – apă. Pompa de căldură cu foraj la adâncime are un coeficient de performanță ridicat, dar are costuri ridicate de instalare. Pompa de căldură aer – apă este cea mai puțin eficientădintre pompele de căldură dar, datorită costurilor marginale reduse (nu necesită excavare, puțuri sau foraj) reprezintă o soluție modernă și viabilă, mai ales în cazul renovării caselor unde există, deja, radiatoare. [23]

Comparații între diverse tipuri de pompe de căldură

Varianta apă – apă:

Figura 2.4.1. Pompa de căldură apă – apă [9]

Avantaje:

Cel mai mare COP : 5-7 (la o temperatură de 10 °C a apei);

2. COP stabil;

3. Folosibil și pentru răcire pasivă;

4. Nu necesită sistem alternativ de încălzire.

Dezavantaje:

Folosește cantități imense de apă;

Costuri ridicate de instalare;

În cazul în care sursa de apă seacă, nu mai este funcțional.

Varianta sol – apă cu puț forat:

Figura 2.4.2. Pompă de căldură apă – apă cu puț forat [9]

Avantaje:

COP bun : 4.5-5 (la o temperatură de 0 °C a solului);

COP stabil;

Folosibil și pentru răcire pasivă;

Există resurse și pentru viitor;

Se poate instala practic oriunde;

Nu necesită un sistem alternativ de încălzire.

Dezavantaje

1. Instalare costisitoare, necesită forare de puț;

Costuri ridicate de instalare.

Varianta sol – apă cu rețea colectoare:

Figura 2.4.3. Pompă de căldură sol – apă cu rețea colectoare [9]

Avantaje:

1. COP bun : 4.5 – 5 (la o temperatură de 0 °C a solului);

2. COP stabil;

3. Folosibil și pentru răcire pasivă;

4. Există resurse și pentru viitor;

5. Se poate instala practic oriunde;

6. Nu necesită sistem alternativ de încălzire.

Dezavantaje:

1. Disponibilitatea unui spațiu extins;

2. Poate să deranjeze rădăcina plantelor (necesită menținerea unei distanțe de cel puțin 2 m);

3. Instalare costisitoare, necesită rețea de țevi îngropate în pământ;

4. Costuri ridicate de instalare (2 – 2.5 x suprafața ce se va încălzi).

Varianta aer-apă:

Avantaje:

1. Simplu, ușor de instalat;

2. Nu necesită pregătiri speciale la instalare;

3. Se poate instala oriunde;

4. Se poate adapta ușor pentru a completa sistemul existent de încălzire;

5. Este cea mai ieftină dintre tipurile prezentate;

6. Se poate monta atât în interior cât și în exterior.

Dezavantaje:

1. COP scăzut: 2.6 – 3.5 (la o temperatură de 2 °C a aerului);

2. COP dependent de temperatură;

3. Necesită sistem alternativ de încălzire;

4. În cazul unei instalații interioare, produce zgomot circa 54 dB. [9]

Agenți frigorifici utilizați de pompele de căldură

Agenți frigorifici

Un agent frigorific este o substanță folosită ca agent de lucru în instalații frigorifice sau pompe de căldură, ce suferă reversibil schimbări de fază de la gaz la lichid, transportând astfel căldura de la un mediu la altul. Transferul de căldură se face prin încălzire, vaporizare (trecerea din stare lichidă în stare gazoasă preluând căldură) și apoi prin răcire și condensare (trecerea din stare gazoasă în stare lichidă cedând căldură) la temperaturi scăzute sau ale mediului ambiant. Pentru a permite funcționarea ciclică a instalațiilor frigorifice și a pompelor de căldură, agenții termodinamici de lucru din acestea, preiau căldură prin vaporizare și cedează căldură prin condensare, la temperaturi scăzute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să fie caracterizate de unele proprietăți particulare, care îi deosebesc de agenții termodinamici din alte tipuri de instalații. Din acest motiv, aceste substanțe poartă și denumirea de agenți frigorifici.

Proprietățile termodinamice dorite la un agent frigorific sunt:

punct de fierbere sub temperatură țintă, presiune de vaporizare cât mai apropiată de presiunea atmosferică;

presiunea de condensare cât mai redusă pentru a realiza consumuri energetice mici;

căldura masică în stare lichidă să fie cât mai mică pentru a nu apare pierderi mari prin procesul de laminare adiabatică;

să nu fie coroziv;

să nu fie poluant;

să nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie și toxicitate;

să aibă o coontribuție nulă la încălzirea globală;

căldura preluată de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie să fie cât mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse;

volumul specific al vaporilor trebuie să fie cât mai redus, pentru a se obține dimensiuni de gabarit reduse, ale compresoarelor;

presiunea de vaporizare la temperaturile scăzute de lucru, trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică și ușor superioară acesteia, pentru a nu apare vidul în instalație;

presiunea de condensare trebuie să fie cât mai redusă, pentru a nu apare pierderi de agent frigorific și pentru a se realiza consumuri energetice mici în procesele de comprimare impuse de funcționarea acestor instalații;

căldura specifică în stare lichidă trebuie să fie cât mai mică, pentru a nu apare pierderi mari prin ireversibilități interne, în procesele de laminare adiabatică. [24]

Istoric

Istoricul fluidelor frigorifice începe în anul 1834, când americanul Jacob Perkins brevetează o mașină frigorifică funcționând prin comprimare mecanică de vapori, utilizând ca agent frigorific oxidul de etil. Utilizarea unei asemenea mașini s-a dovedit rapid limitată de nivelul ridicat de inflamabilitate al acestui agent.

În 1876 Carl von Linde, datorită utilizării amoniacului (NH3) ca agent frigorific, permite adevărata dezvoltare a instalațiilor frigorifice prin comprimare mecanică de vapori.

În 1880, utilizarea anhidridei carbonice (CO2) ca agent frigorific, reprezintă începutul utilizării instalațiilor frigorifice pentru îmbarcarea la bordul navelor a produselor alimentare.

În 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroase (SO2) și a clorurii de metil (CH3Cl), apar primele mașini frigorifice de uz casnic sau comercial.

Începând din 1930, apar primele hidrocarburi fluorurate și clorurate (CFC). Datorită caracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic și datorită marii lor stabilități atât termice cât și chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare considerabilă atât a fiabilității cât și a siguranței în funcționare a instalațiilor frigorifice cu compresie mecanică. Așa se explică de ce în comparație cu amoniacul și clorura de metil, aceste substanțe poartă denumirea de agenți frigorifici de siguranță. [25]

Compoziția chimică a freonilor

Din punct de vedere al compoziției chimice, freonii, care sunt hidrocarburi fluorurate, pot fi împărțiți în trei mari categorii:

CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care conțin Cl foarte instabil în moleculă;

HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumiți de tranziție, care conțin în moleculă și hidrogen, datorită căruia Cl este mult mai stabil și nu se descompune atât de ușor sub acțiunea radiațiilor ultraviolete;

HFC (hidrofluorocarburi), considerați freoni de substituție definitivă, care nu conțin de loc în moleculă atomi de Cl.

Pe lângă cele trei categorii de agenți frigorifici menționate, există și agenți frigorifici naturali, între care amoniacul (NH3), simbolizat și prin R717, 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.

Figura 3.3.1 Cele trei tipuri de freoni [24]

Figura 3.3.2 Câteva exemple de freoni uzuali [24]

Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substanțe, agenții frigorifici au fost denumiți freoni, sunt simbolizați prin majuscula R, (de la denumirea în limba engleză – Refrigerant) și li s-a asociat un număr care depinde de compoziția chimică. Unii dintre cei mai cunoscuți agenți frigorifici sunt prezentați în tabelul 1, împreună cu temperatura normală de vaporizare și indicele transformării adiabatice.

Temperatura de vaporizare și indicele transformării adiabatice (k), pentru câțiva agenți frigorifici:

Figura 3.3.3 Temperatura de vaporizare și indicele transformării adiabatice pentru câțiva agenți frigorifici [24]

Se observă că acești agenți au proprietatea de a vaporiza (fierbe) la temperaturi scăzute,

putând deci să absoarbă căldură, la temperaturi mai mici decât ale mediului ambiant.

Având în vedere impactul agenților frigorifici asupra mediului înconjurător și siguranța în exploatare a instalațiilor frigorifice, se definesc următoarele mărimi caracteristice:

potențialul de distrugere a stratului de ozon (ODP – Ozone depletion potential) – conform protocolului de la Montreal, pentru agenți frigorifici ODP trebuie să fie zero; agenții pentru care ODP≠0 nu se mai produc la ora actuală;

potențialul de încălzire globală (GWP – Global – warming potential) – agenții frigorifici trebuie să aibă un potențial de încălzire globală cât mai redus, urmând ca situația agenților cu ODP=0 și GWP mare (cum ar fi R134a) să fie reglementată în viitor;

indicele total de încălzire echivalentă (TEWI – Total Equivalent Warming Impact) – evaluează încălzirea globală prin combinarea contribuției directe a emisiilor de agent frigorific în atmosferă cu aportul indirect al emisiei de dioxid de carbon rezultat din energia consumată pentru funcționarea sistemului frigorific;

toxicitatea și inflamabilitatea – agenții frigorifici utilizați nu ar trebui să fie toxici pentru om, dar, în afară de aer, orice altă substanță poate cauza moartea, dacă se găsește într-o concentrație prea mare. În cea ce privește inflamabilitatea, ar fi de preferat ca agenții frigorifici să nu fie inflamabili, dar această condiție nu poate fi întotdeauna respectată ASHRAE combină informațiile privind toxicitatea și inflamabilitatea agenților frigorifici prin definirea unor clase de siguranță (tabelul 3.3.1).

Tabelul 3.3.1 Clase de siguranță pentru agenții frigorifici [24]

În tabelul 3.3.2. sunt prezentate domeniile de aplicație pentru unii freoni. Principalele caracteristici ale unor agenți frigorifici folosiți în mod curent sunt prezentate în tabelul 3.3.3.[24]

Tabelul 3.3.2 Domenii de aplicație pentru freoni [24]

Tabelul 3.3.3 Caracteristicile unor agenți frigorifici [24]

Legătura dintre freoni și stratul de ozon

Poluarea produsă de freoni, o problemă atât de mediatizată și discutată în ultimii ani, reprezintă la ora actuală unul din motivele care explică numărul foarte mare de agenți frigorifici întâlniți în diverse aplicații ale tehnicii frigului.

La începutul anilor ’80, măsurători ale grosimii stratului de ozon (O3) de deasupra Antarcticii, au evidențiat că grosimea acestuia devenise mult mai redusă decât în mod normal. Stratul de ozon, având un rol extrem de benefic, deoarece filtrează radiațiile ultraviolete, așa cum se observă în figura alăturată.

Figura 3.4.1 Spectrul de radiație solară [26]

În partea stângă a imaginii din figura 3.4.2, sunt reprezentate în culorile roșu, galben și albastru, radiațiile provenite de la Soare, în spectrul luminii vizibile, iar cu violet a fost reprezentată radiația ultravioletă, invizibilă pentru ochiul uman. În partea dreaptă a imaginii a fost reprezentată cu culoare roșie sub forma săgeților ondulate, radiațiile infraroșii, de asemenea invizibile, percepute de om, sub formă de căldură. O parte din aceste radiații infraroșii, ca și cele ultraviolete, sunt reflectate de atmosfera terestră, în timp ce Pământul, care absoarbe această radiație, degajă și el radiații în spectrul infraroșu.[26]

Ozonul este un constituent natural al atmosferei (formula chimică O3) fiind prezent la o altitudine între 15 și 40 km și realizând un înveliș protector pentru planeta Pământ. Acest filtru foarte fin reține aproape totalmente radiația ultravioletă (UV mai scurtă de 290 nm) biologic nocivă, care se îndreaptă spre suprafața Terrei, regularizeaza temperatura din stratosferă cu implicații deosebite în condiționarea circulației atmosferice și a climei globului terestru, protejează toate formele de viață de pe Pământ. Scăderea concentrației ozonului cu 1% duce la sporirea intensității razelor ultraviolete deasupra solului cu 2%. Mai multe studii experimentale asupra florei și faunei, precum și diverse examinări clinice ale oamenilor au relevat efecte negative rezultate din expunerea excesivă la radiația ultravioletă. Câteva cercetări au documentat diverse efecte negative asupra creșterii producției culturilor agricole, silviculturii și sănătății omului.

Figura 3.4.2. Radiațiile solare în atmosfera terestră [27]

Conținutul ozonului cauzează două probleme ecologice separate. Una se referă la creșterea cantității de ozon în troposferă (ozonul din troposferă fiind un component cheie în smogul fotochimic), iar cealaltă, care prezintă interes stiințific și ecologic, se referă la epuizarea ozonului din stratosferă. Măsurările terestre și cele efectuate cu ajutorul sateliților au înregistrat reducerea cantității de ozon deasupra unor regiuni ale Antarctidei în perioada de primăvară (cantitatea de ozon scade cu 60%). Acest fenomen este cunoscut ca ”gaura de ozon antarctică”.

În anul 1974 M. Molina și F. Rowland au demonstrat că substanțele chimice, clorofluorocarburile (CFC), produse de om, care sunt utilizate în calitate de agenți frigorifici și aerosoluri, sunt transportate în stratosferă prin circulația maselor de aer și pot avea acțiune distrugătoare asupra stratului de ozon. De peste 60 de ani CFC sunt utilizați ca agenți frigorifici în frigidere și climatizoare, ca solvenți, propelenți pentru amestecuri de aerosoli. Consumul CFC în aceste scopuri constituie mai mult de 70% din producția totală.

Protocolul de la Montreal cu privire la substanțele care distrug stratul de ozon, elaborat sub conducerea Programului Națiunilor Unite pentru Mediul înconjurător (PNUMI), care reglementează substanțele potențiale ce distrug stratul de ozon (SDO) a intrat în vigoare la 1 ianuarie 1989. Protocolul de la Montreal este un acord internațional care a stabilit o eșalonare a reducerii și eventual a eliminării SDO din folosință generală. Circa 175 de state plus Comunitatea Europeană sunt membre semnatare ale Protocolului de la Montreal privind substanțele care distrug stratul de ozon.

În acest scop:

• a fost elaborată și aprobată forma de prezentare a datelor statistice anuale privind producerea, consumul și importul – exportul de substanțe care distrug stratul de ozon, reglementate de Protocolul de la Montreal, precum și de produse ce conțin aceste substanțe;

• este interzis importul – exportul de substanțe reglementate care distrug stratul de ozon, precum și de produse care conțin SDO din țările care nu sunt parți ale Convenției de la Viena și ale Protocolului de la Montreal.

România a facut progrese în implementarea regimului juridic al ozonului, prin:

• continuarea dezvoltării cadrului legislativ și instituțional necesar aplicării regimului ozonului;

• implementarea transferului de tehnologie nepoluantă care au condus la eliminarea a 1069 de tone, consum anual la utilizatorii industriali de substanțe care epuizează stratul de ozon;

• instituirea controlului comerțului cu aceste substanțe (prin obligativitatea obținerii acordului de mediu pentru importul/exportul de substanțe care epuizează stratul de ozon, conform procedurii de reglementare aprobată prin Ordinul MAPPM nr. 506/ 1996);

• introducerea unor restricții la utilizarea hidrocarburilor halogenate care distrug stratul de ozon, prin Legea nr. 159/2000 pentru aprobarea Ordonanței Guvernului nr. 89/31 august 1999. [27]

Fluidele naturale de lucru ale pompei de căldură

Fluidele naturale de lucru sunt substanțe naturale, existente în biosferă. Ele au, în general, dezavantaje globale neglijabile de mediu (zero sau aproape de zero PDO și GWP). Acestea sunt, prin urmare, pe termen lung, alternative pentru agenții de lucru obișnuiți. Exemple de fluide fizice care lucrează sunt amoniac (NH3), hidrocarburi (de exemplu, propan), dioxid de carbon (CO2), aer și apă. Unele dintre fluidele fizice care lucrează sunt inflamabile sau toxice. Implicațiile asupra siguranței de a folosi astfel de fluide pot solicita proiectarea sistemului de operare specifică și adecvată pentru întreținerea de rutină.

Amoniac (NH3)

este în multe țări lichidul de conducere care lucrează în sistemele medii și mari de refrigerare și a celor de depozitare la rece. Codurile, regulamentele și legislația au fost dezvoltate în principal pentru a face față toxicității și, într-o oarecare masură, caracteristicilor inflamabile ale amoniacului. Din punct de vedere termodinamic și economic amoniacul este o alternativă excelentă la CFC și HCFC-22 în echipamente noi de pompe de căldură.

Hidrocarburi (HCS)

sunt bine cunoscute ca fluide inflamabile de lucru cu proprietăți termodinamice favorabile și materiale de compatibilitate. În prezent, propanul, propilena și amestecurile de propan, butan, izo-butan și etan, sunt considerate ca fiind cele mai promițătoare hidrocarburi lichide de lucru în sistemele de pompare de căldură. HCS sunt utilizate pe scară largă în industria petrolieră, aplicate în transportul de refrigerare, frigidere și pompe de căldură rezidențiale (în special în Europa).

Apă

este un excelent fluid de lucru pentru pompele industriale de înaltă temperatură termică, datorită proprietăților sale favorabile termodinamice și datorită faptului că nu este nici inflamabilă nici toxică. Temperaturile normale de funcționare sunt în intervalul de la 80°C la 150°C. Dezavantajul major al apei ca fluid de lucru este capacitatea volumetrică de căldură scăzută (kJ/m3) de apă. Acest lucru necesită compresoare mari și costisitoare, mai ales la temperaturi joase.

Dioxid de carbon (CO2)

este un agent frigorific potențial puternic, care atrage atenția în creștere în întreaga lume. CO2 este non-toxic, non-inflamabil și este compatibil pentru lubrifianți și materiale comune de construcție. Capacitatea de refrigerare cotată este mare, iar raportul de presiune este redus foarte mult. Cu toate acestea, COP teoretic al unui ciclu de căldură convențional de pompare cu CO2 este destul de slab.

Avantajele sistemelor care funcționeaza cu agenți naturali sunt:

• Consum redus de energie;

• Cost redus al agenților frigorifici;

• Cost redus de operare (uneori cu circa 40% mai mic decât în cazul agenților pe baza de gaze cu efect de seră);

• Rată mică de înlocuire a agentului frigorific din instalații, în cazul celor care funcționează cu agenți naturali;

• Reduc considerabil costurile de întreținere. [28]

Figura 3.5.1 Impactul asupra medului a unor agenți frigorifici [29]

Pompe de căldură cu dioxid de carbon

Dioxidul de carbon (R744) este un agent natural (cu potențialul de încălzire globală 1 și potențialul de subțiere a stratului de ozon 0), cu proprietăți termodinamice foarte bune. Cu toate acestea, se folosește foarte rar ca agent frigorific din cauza presiunilor foarte mari la care se lucreaza cu acesta și a temperaturii scăzute a punctului critic.

Figura 3.6.1. Molecula de dioxid de carbon [30]

Ca atare, instalatiile frigorifice pe baza de dioxid de carbon au nevoie de un nivel de automatizare superior celorlalte tipuri de instalatii frigorifice, precum și de materiale rezistente la presiuni foarte mari (până la 110 bar în cazul aplicațiilor în domeniul trans-critic).

Dioxidul de carbon se utilizează ca agent frigorific pentru instalatiile frigorifice în cascada în treapta inferioară, ca agent intermediar, cu schimb de faza (vapori/lichid) sau în sisteme trans-critice: pompe de caldura, aplicații industriale sau instalații de aer condiționat pentru automobile.

Prima instalație frigorifica din Romania pe baza de dioxid de carbon a fost realizată de specialiștii noștri în anul 2009. Această instalatie frigorifica este o pompa de caldura ce funcționează în domeniul trans-critic la o presiune maxima de lucru de aproximativ 100 bar. La ieșirea din pompa de caldura, temperatura apei este de 75 – 85º C. [30]

Un sistem important ce se impune în atenția specialiștilor în domeniu este utilizarea pompelor de căldură cu CO2 (R744), întrucât aceasta este capabilă să producă și să furnizeze apă caldă de temperaturi înalte și apă rece, precum și încălzirea spațiilor. Acest tip de refrigerant permite funcționarea pompei de căldură chiar și la temperaturi extreme, până la -25°C. Datorită acestui fapt, sunt recomandate pentru a fi utilizate in zone climatice reci, unde pompele de căldură tradiționale au probleme cu dezghețarea bateriei externe. Pompa de căldură cu CO2 poate avea un coeficient de performanță de aproximativ 3,4 – 4. Această tehnolgie poate reprezenta o adevărată alternativă pentru centralele termice din orașele slab deservie de combustibili fosili.

Pentru exploatarea optimă a unei pompe de căldură cu CO2 atât pentru climatizare cât și pentru încălzirea apei calde menajere, este nevoie de o serie de optimizări legate de maximizarea coeficientului de performanță al pompei de căldură pentru fiecare mediu operativ, de gestionarea fluxurilor de căldură, de alegerea componentelor cât mai eficiente și nu în ultimul rând de pefecționare a sistemelor de conrol.

Se poate afirma că avantajele și proprietățile clorofluorocarburilor, a hidroclorofluorocarburilor și a hidrofluorocarburilor ca și fluide de lucru în instalațiile frigorifice sunt în contradicție cu consecințele negative asupra mediului înconjurător, din cauza contribuției lor la subțierea stratului de ozon, a creșterii temperaturii atmosferice amplificând efectul de seră. Problema înlocuirii agenților frigorifici ce conțin clor este una foarte importantă și este în centrul atenției specialiștilor în domeniu. În domeniul refrigerării este din ce în ce mai utilizat dioxidul de carbon (R744) ca o soluție pentru eliminarea efectului de seră cauzat de hidrocarburi. Indicatorul GWP al dioxidului de carbon este foarte scăzut în comparație indicatorul hidrocarburilor. De asemenea, CO2 nu este toxic, nu este inflamabil și nu are un impact dăunător asupra stratului de ozon.[31]

Pompa de căldură cu CO2 pentru climatizare și furnizarea de apă caldă menajeră

Pentru a putea ajunge la temperaturi înalte de comprimare și tinând seama de condițiile de lucru în regim transcritic a gazului refrigerant, este covenabila utilizarea dioxidului de carbon în pompele de căldură pentru furnizarea apei la temperaturi ridicate. În exemplul din figura 3.7.1 se poate observa cum, răcind de la 100 °C la 20 °C, la 120 bar, utilizând dioxidul de carbon ca fluid de lucru, este posibilă încălzirea apei menajere de la 15 °C la 80 °C, folosind un schimbător de căldură în contracurent, este foarte eficient. În schimb, dacă pentru obținerea acelorași rezultate, cu o suprafață de schimb de căldură egală, se decide utilizarea unei pompe de căldură ce folosește ca și agent frigorific R134a, condensarea ar trebui să se realizeze la o temperatură de 80 °C obținându-se un coeficient termic scăzut.

Figura 3.7.1 Evoluția temperaturii de-a lungul schimbătorului de căldură [31]

Avantajul de a folosi fluide de lucru cu ecarturi de temperatură compatibile de-a lungul schimbătoarelor de căldură se poate observa în pierderile de căldură minime în schimbul de căldură, ce sunt aproximativ proporționale cu fluxurile de căldură schimbate, cu diferența de temperatură dintr cele două fluide. Pierderile minime de căldură pot constitui un factor decisiv pentru asigurarea unor randamente ridicate ale folosirii dioxidului de carbon în comparație cu fluidele de lucru tradiționale. Coeficientul de performanță al ciclului este slab influențat de temperatura de vaporizare, micșorându-l foarte puțin chiar și la temperaturi externe scăzute. În condiții normale de funcționare ciclul va fi ajustat la valoarea optimă de presiune a gazului refrigerant, iar în condiții extreme funcționează cu o creștere de presiune crescând eficiența termică și evitînd utilizarea rezistenșelor electrice suplimentare ce au efecte dăunătoare asupra instalației.

Astfel, se poate observa că ciclul transcritic al dioxidului de carbon este foarte eficient pentru încălzirea apei menajere. Dacă se compară cu radiatoarele elctrice, acest sistem poate oferi economii energetice de până la 75%. Eficiența ridicată a acestui sistem se datorează în principal adaptării caracteristicilor ciclului aplicat, eficienței procesului de comprimare și caracteristicilor schimbului de căldură foarte bune.

Majoritatea pompelor de căldură cu dioxid de carbon pot produce apă caldă cu o temperatură de peste 90 °C, temperaturi ce sunt dificil de atins folosind sistemele tradiționale (pompe de căldură cu agenți frigorifici halogenați în ciclu subcritic). Sistemul este foarte compact datorită caracteristicilor dioxidului de carbon. Deoarce aproximativ 20% din cererea de energie din domeniul rezidențial din țările industrializate se datorează incălzirii apei menajere și deoarece această cerere este într-o continuă creștere, utilizarea pompelor de căldură cu CO2 pare o foarte bună alternativă pentru sistemele tradiționale. Pe piața japoneză există deja diverse tipuri de pompe de căldură cu CO2. Un exemplu este pompa de căldură produsă de Sanyo a cărei scemă de funcționare este prezentată în figura 3.7.2. În acest caz, apa caldă, produsă și stocată într-un rezervor de acumulare, poate fi utilizată cu succes atât pentru încălzirea spațiilor cât și pentru producerea de apă caldă menajeră.

Figura 3.7.2 Schema de funcționare a unei pompe de căldură cu CO2 Sanyo[31]

Studii asupra încălzirii apei menajere cu pompă de căldură cu CO2 au fost realizate încă de la jumătatea anilor ’80 în laboratoarele SINTEF/NTNU și un prototip cu o putere de 50 kW a fost finalizat în anul 1996 (figura 3.7.3). Acest sistem a fost inclus în proiectul „COHEPS” al Uniunii Europene din 1996 până in 1990, unde grupuri de cercetători ale unor universități importante din Austria (Graz University of Technology), Norvegia (laboratorul SINTEF/NTNU), Germania (University of Hanover, Essen University) și Belgia (Catholic University of Leuven), împreună cu parteneri industriali au studiat diverse aspecte ale numeroaselor aplicații ale pompelor de căldură cu CO2.

Figura 3.7.3. Prototip pompă de căldură cu CO2 cu o putere de 50 kW [31]

Rezultatele obținute de aest prototip au evidențiat posibilitatea de obținere a unui coeficient de performanță mai mare de 4 chiar și pentru o temperatură de intrare a apei reci de 10 °C și o temperatură de evacuare a apei calde de 60 °C.

Figura 3.7.4. COP în funcție de temperatura de evaporare pentru o temperatură de intrare a apei de 10°C [31]

O altă instalație experimentală cu o putere de 25 kW a fost instalată într-o fabrică de tratamente pentru alimente in Larvik (Norvegia) în 1999, utilizând căldura recuperată de la o instalație frigorifică industrială cu amoniac. Rezultatele obținute au depașit așteptările și această instalație s-a dovedit a fi o investiție profitabilă pentru companie. Numeroase firme japoneze au introdus pe piață pompe de căldură cu CO2 în anii 2001 – 2002. Aceste instalații s-au dovedit a avea valori ale puterii termice de aproximativ 4,5 și un coeficient de performață de aproximativ 3. Aceste sisteme încălzeau apa pe durata nopții (când energia electrică este disponibilă la un preț mai mic decât pe timpul zilei) și o inmagazinau în rezervoare de capacitate mare pentru a putea fi utilizată pe parcursul zilei.

Luând în considerare proprietățile ciclului transcritic pentru furnizarea apei calde, Neska propune în 1992 o instalație reprodusă în figura 3.7.5. La ieșirea din răcitorul de gaz sunt montate două schimbătoare termice, care pot lucra în serie sau în paralel pentru producerea simultană de apă caldă menajeră (acumulată într-un rezervor de stocare) și pentru încălzirea spațiilor (atât prin calorifere cât și prin intermediul unor ventiloconvectoare). Obiectivul acestei instalații este de reducere a temperaturii cedate de apă agentului de lucru cât mai mult posibil, în vederea menținerii unui randament al pompei de căldură cât mai ridicat. După efectuarea unor verificări exerimentale, Neska a declarat că sistemul furnizează performanțe bune sezoniere având în vedere că peste 30% din energia termică necesară încălzirii spațiului este furnizată prin ventiloconvectoare. Deoarece, în cazul caselor izolate, cererea de căldură prin ventiloconvectoare pot ajunge și chiar depăși 50%, s-a constat că CO2 poate fi o alternativă promițătoare pentru aplicațiile climatice rezidențiale.

Figura 3.7.5.Schema unei instalații pentru producerea de apă caldă și climatizare (Neska 1992) [31]

Figura 3.7.6. Instalație pentru producerea apei calde și climatizare cu pompă de căldură cu CO2 [31]

În 2009, Sato et al. prezintă scema unei instalații cu două rezervoare de acumulare (unul pentru stocarea apei calde și celălal pentru stocarea apei calde) ce propune ca obiectiv furnizarea apei calde și a apei reci și încălzire ambientală. Conform proiectantului, utilizând instalația din figura 3.7.6, se pot obține performanțe ridicate ale pompei de căldură în orice condiții de funcționare în care agentul de răcire este întotdeauna alimentat de apa provenită din acumulatorul de apă rece, în timp ce vaporizatorul este alimentat de apa stocată la o temperatură suficient de ridicată pentru obșinerea unor bune randamente. Nu se cunosc în schimb valorile experimentale ale eficienței reale ale acestui sistem, care cere, printre altele, disponibilitatea unei surse reci pentru optimizarea temperaturii apei care alimentează vaporizatorul.

Figura 3.7.7. Schema unei instalații cu pompă de căldură cu CO2 [31]

Recent, cercetătorii departamentului de Fizică de la Universitatea din Padova au propus un sistem foarte avansat pentru climatizarea atât pe timpul verii cât și pe timpul iernii și pentru furnizarea apei calde menajere. Sistemul utilizează o pompa de căldură cu CO2 alcătuită din două răcitoare, un vaporizator și un recuperator de căldură. Sistemul propus este dotat cu un circuit secundar care conține soluție salină care efectuază schimburile de căldură cu primul răcitor și cu vaporizatorul; al doilea răcitor, în schimb, este legat direct la un sistem de acumulare a apei calde., constituit dn trei rezervoare conectate în serie. Utilizarea celor trei rezervoare permite alimentarea în permanență a celui de-al doilea răcitor cu apă rece și evitarea amestecării celor două fluide, cald și rece.[31]

Studii și posibilități de creștere a performanței pompelor de căldură cu dioxid de carbon

Dioxidul de Carbon utilizat ca agent de lucru pentru pompele de căldură pentru apa caldă menajeră: O comparație cu soluțiile tradiționale

Preocuparea din ce în ce mai crescută cu privire la impactul asupra mediului pe care îl au agenții frigorifici duce la dezvoltarea unor noi soluții, cu scopul de a imbunătăți eficiența energetică a aplicațiilor aferente, folosind refrigeranți ”eco-friendly” cu cel mai mic potențial de încălzire globală posibil (GWP – Global Warming Potential). De aceea dioxidul de carbon (R744) este văzut astăzi ca fiind unul dintre cei mai promițători agenți frigorifici și îi este acordată o atenție specială de către domeniul industrial și al știiței. În prezent, sunt cercetate modelele de instalații, care sunt proiectate similar cu pompele de căldură cu dioxid de carbon de tip aer – apă pentru apa menajeră. Este realizată o comparație privind eficiența energetică dintre un sistem ce utilizează dioxidul de carbon și un altul ce utilizează R134a. Comparația a fost realizată prin intermediul unei simulări a unei mașini frigorifice/ pompă de căldură, caracterizată printr-o prezentare detaliată a schimbătoarelor de căldură, bazată pe divizarea în volume elementare. Rezultatele arată că dioxidul de carbon este un sustituent interesant pentru agenții frigorifici sintetici, dacă ul este proiectat astfel încât să profite de proprietășile acestuia.

Contrar proprietăților sale termodinamice reduse cu privire la eficiența energetică a unui ciclu inversat cu compresie de vapori tradițional, dioxidul de carbon afirmă proprietăți foarte bune legate de transferul de căldură și compresie, compensand cel puțin parțial dezavantajele termodinamice. Cu atât mai mult, acesta nu este toxic, este neinflamabil, compatibil cu majoritatea materialelor si uleiurilor folosite în domeniul frigorific și este ieftin. Probemele ridicate de presiunile mari de operare fac componentele greu de realizat, dar industria incepe să rezolve aceste probleme. Punctele forte ale dioxidului de carbon sunt legate de protecția mediului înconjurător: potențialul de distrugere a stratului de ozon este nul (ODP – Ozone Depletion Potential), iar GWP poate fi neglijat, fiin aproape zero, dacă fluidul este extras din deșeurile altor procese industriale.

Figura 4.1.1. Schema unei pompe de căldură aer – apă [32]

Figura 4.1.1. Prezintă schema unei pompe de căldură aer – apă pentru încălzirea apei calde menajere, în care rezervorul de apă are funcția de a stoca căldura pentru a gestiona vârfurile de sarcini termice. În ipoteza unui amestec perfect, nu apare stratificarea iar temperatura din interiorul rezervorului este aproape constantă. Folosind dioxidul de carbon ca agent frigorific, avantajele stratificării sunt mai mari decât soluțiile tradiționale, motivul fiind că în cazul unui ciclu obișnuit temperatura de condensare este legată de temperatura maximă a apei, iar în cazul ciclului transcritic eficiența energetică este legată de temperatura de intrare a apei.

Presupunând o stratificare perfectă ca fiind cea mai profitabilă alegere pentru reducerea energiei, dioxidul de carbon apare ca fiind mai potrivit pentru această aplicație decât agenții frigorifici tradiționali. Pe durata trasferului de căldură apar pierderi de energie mai mici, care sunt proporționale cu diferența de temperatură dintre cele două fluide. Acesta poate fi un atribut bun pentru ca CO2 sa atingă valori ridicate ale COP în comparație cu valorile COP ale soluțiilor tradiționale.

Figura 4.1.2. Valorile COP pentru ipotezele de stratificare perfectă (a) și amestec perfect (b) [32]

În figura 4.1.2, este prezentată o comparație a valorilor COP a patru agenți frigorifici, inclusiv CO2, pe timpul celor două sezoane. Comparând CO2 cu ceilalți agenți frigorifici s epoate observa ca acesta poate fi mult mai eficient din punct de vedere energetic doar dacă proprietățile sale particulare sunt exploatate într-un sistem adaptat.

Se poate concluziona că sistemele electrice de încălzire a apei menajere nu vor fi înlocuite în totalitate niciodată, datorită siguranței pe care o oferă și costurilor mici de instalare, dar atenția în creștere față de problemele de mediu cere sisteme cu o eficiență energetică mare pentru a substitui boilerele electrice. [32]

Influența temperaturilor ambientale asupra performanței unei pompe de căldură cu dioxid de carbon pentru încălzirea apei calde

În aplicațiile rezidenșiale, o pompă de căldură cu dioxid de carbon aer – apă este utilizată în combinație cu rezervor de stocare a apei calde și performanța sistemului este afectată semnificativ nu doar de aerul ambiental și de temperatura apei rezidențiale ci și de schimbările orare ale consumului de apă caldă menajeră și distribuția temperaturii în rezervorul de stocare. Este analizată performanța unei pompe de căldurăcu dioxid de carbon pentru încălzirea apei menajere prin simulare numerică. Este creat un model de simuare bazat pe ecuații termodinamice și pe valorile parametrilor modelului sunt estimate în funcție de datele măsurate pe dispozitivele existente. Performanța calculată este comparată cu cele măsurate, astfel fiind validat modelul simulat. Performanța sistemului este clarificată în concordanță cu schimbările sezoniere ale aerului ambiental și temperatura apei orașelor.

Figura 4.2.1 Schema pompei de căldură cu CO2 pentru încălzirea apei [33]

Figura 4.2.1 arată schema pompei de căldură cu CO2 pentru încălzirea apei studiată. Sistemul este este compus dintr-o pompă de căldură cu CO2 și un rezervor de stocare pentru apa caldă menajeră. Pentru a studia validitatea modelului, simulări numerice și experimentele sunt efectuate pentru pompa de căldură cu CO2 și sistemul global de încălzire a apei în aceleași condiții, iar rezultatele lor sunt comparate. Simulările numerice sunt efectualte timp de patru zile în fiecare lună a unui an obișnuit.

Figura 4.2.2. Valorile calculate ale schimbărilor lunare ale performanțelor relative ale sistemului: (a) COP pompei de căldură, al rezervorului și eficiența sistemului; (b) consumul de energie și volumul apei menajere neutilizate. [33]

În figura 4.2.2 sunt prezentate valorile calculate ale schimbărilor lunare ale pompei de căldură, rezervorului și eficienței sistemului, consumului de energie și volumul apei menajere neutilizate (DHW – Domestic Hot Water).

Influența temperaturilor ambientale pe criterii de performanță a fost clarificată cantitativ. Rezultatele principale sunt următoarele:

Odată cu creșterea temperaturii ambientale, coeficientul de performanță al pompei de căldură cu CO2 crește, dar eficiența rezervorului scade.

Odată cu creșterea temperaturii ambientale, timpul de operare al pompei de căldură se scurtează, iar consumul de energie scade;

Odată cu creșterea temperaturii ambientale, debitul masic de alimentare cu apă caldă menajeră scade, volumul apei neutilizate crescând. Ca și rezultat, gradientul de temperatură din rezervorul de stocare devine mai mic și timpul în care coeficientul de performanță al pompei de căldură scade devine îndelungat. [33]

Studiul parametric al performanței unei pompe de căldură cu dioxid de carbon geotermală cu expansiune directă

Un model numeric a fost dezvoltat pentru a analiza performanța unei pompe de caldură cu CO2 geotermale cu expansiune directă în stare de echilibru într-un ciclu transcitic. Sistemul este compus dintr-un compresor, debitmetru pentru cele două schimbătoare de căldură, ventil de laminare, si serpentinele vaporizatorului introduse în sol. Rezultatele simulării se dovedesc a fi în concordanță cu rezultatele disponibile în literatură. Pentru a analiza performanțele caracteristice ale dioxidului de carbon în vaporizatorul cuplat în sol, studiul parametric a fost concentrat pe parametrii vaporizatorului inclusiv lungimea serpentinelor, numărul de circuite din sol și temperatura medie de vaporizare. De asemenea este cercetată relația dintre răcitorul de gaz și mărimea vaporizatorului. Rezultatele indică ca există un număr optim de circuite subterane care duce la o capacitate mai mare de încălzire și un coeficient de performanță mai mare. Performanța poate fi îmbunătățită în continuare prin optimizarea temperaturii medii de vaporizare cu temperatura solului înconjurător. Cu optimizare, sistemul studiat atinge un coeficient de performanță de 2.58, reprezentând o îmbunătățire cu 18% în comparație cu sistemul de bază.

Într-o pompă de căldură geotermală cu expansiune directă, agentul frigorific trece direct prin conductele îngropate, iar absorbția de căldură din sol are loc prin evaporarea agentului în schimbătorul de căldură din sol. Figura 4.3.1 prezintă schema sistemului (a) și diagrama p – h a ciclului.

Figura 4.3.1. Schema și diagrama p – h a ciclului unei pompe de căldură geotermală cu CO2[34]

Sistemul a fost folosit pentru a vedea cum sunt influențate COP și capacitatea de încălzire a pompei de căldură geotermală cu CO2 de următorii parametri: lungimea serpentinelor vaporizatorului, numărul de circuite, temperatura medie de vaporizare, gradul de supraîncălzire și interdependența dintre lungimile vaporizatorului și a răcitorului de gaz.

Lungimea vaporizatorului și numărul de circuite

Figura 4.3.2 arată cum, odată cu creșterea lungimii serpentinei vaporizatorului, crește și COP până la o valoare optimă de 2,28, atunci când serpentina măsoară 140 m. O creștere a lungimii duce la o scădere a coeficientului de performanță și la o creștere a presiunii. În figura 4.3.3 se poate obseva că, atât capacitatea de încălzire cât și COP ating valoarea maximă în cazul unui sistem cu 6 circuite, după care ambele descresc.

Figura 4.3.2. Variația COP și a presiunii cu lungimea serpentinei vaporizatorului [34]

Figura 4.3.3. Variația COP și a presiunii cu numărul de circuite [34]

Temperatura medie de vaporizare

Figura 4.3.4 arată variația dintre capacitatea de încălzire și COP din punct de vedere al diferenței de temperatură . Se poate observa că, odată cu creșterea diferenței de temperatură (, crește și capacitatea de încălzire, iar COP crește până la o valoare optimă corespunzătoare . O creștere peste această valoare duce la scăderea COP.

Figura 4.3.4. Variația dintre capacitatea de încălzire și COP din punct de vedere al diferenței de temperatură [34]

Variația temperaturii solului

Figura 4.3.5 arată impactul variația temperaturii sezoniere a solului pentru două scheme (a) e constant; (b) ajustată astfel încât Funcționând în aceste condiții (a) atât capacitatea de încălzire cât și COP scad odată cu scăderea temperaturii solului; (b) valorile performanțelor ramân relativ constante. Pentru a menține performanța pe parcursul sezonului cald, temperatura medie de vaporizare trebuie ajustată în concordanță cu temperatura solului.

Figura 4.3.5. Variația capacității de încălzire și COP cu temperatura solului [34]

Gradul de supraîncălzire

Efectul supraîncălzirii asupra performanței pompei de căldură geotermale cu CO2 este prezentat în figura 4.3.6. Se poate observa că odată cu creșterea temperaturii , capacitatea de încălzire scade ușor, în timp ce COP crește într-o măsură mai mică.

Figura 4.3.6. Variația capacității de încălzire și COP față de supraîncălzire [34]

Se poate concluziona că: unui număr optim de circuite din vaporizator îi corespunde o anumită lungime a serpentinelor vaporizatorului; temperatura medie de vaporizare este importantă în optimizarea performanțelor sistemului și depinde direct de temperatura solului; supraîncălzirea nu influențează foarte mult performanța sistemului. [34]

Evaluarea performaței unei pompe de căldură cu dioxid de carbon echipată cu ejector

În acest articol este prezentată analiza experimentală a unui prototip al unei pompe de căldură cu dioxid de carbon apă – apă ( putere de 5 kW la o temperatură de vaporizare de 0°C, 100 bar presiunea răcitorului de gaz, temperatura de evacuare de 35°C) care a fost echipată cu un ejector în două faze. Luând în considerare schema tradițională, energia era recuperată din procesul de laminare din interiorul ejectorului îmbunătățea circulația agentului frigorific prin vaporizator. Aceași pompă decăldură a fost îmbunătătțită cu o supapă de presiune ca și dispozitiv de expansiune. A fost realizată o comparație între sistemele de pompă de căldură, echipată cu ejector și cu valvă de expansiune.

Au fost realizate teste pentru a fi evalută performanța pompei de căldură în furnizarea de apă caldă menajeră. În plus, a fost realizată o cercetare pentru a înțelege cum funcționează sistemul în cazul în care există și o cerere de încălzire a spațiului.

Experimentele au demonstrat că utilizarea ejectorului ajută la îmbunătățirea performanțelor pompei de căldură, promovând astfel utilizarea unităților ce utilizează R744 pentru încălzirea spațiilor și condiționarea aerului.

Figura 4.4.1. Schema pompei de căldură cu CO2 cu supapă de presiune (a) și cu ejector (b) [35]

În figura 4.4.1 sunt prezentate schemele celor două variante constructive ale pompei de căldură: varianta cu supapa de presiune utilizată ca dispozitiv de expansiune (a) și varianta cu ejector (b). Componentele prezentate în figură sunt:

1 – compresor semiermetic;

2 – răcitor de gaz;

3 – supapă de presiune electrică;

4 – vaporizator;

5 – receptor de lichid;

6 – schimbător de căldură intern;

7 – ejector;

8 – ventil de reglare.

Testele efectuate pe sistemul cu ajector (Figura 1b) cu scopul de a descrie atât performanța ejectorului cât și a pomei de căldură. Schema simplificată a sistemului și diagrama p – h a ciclului este prezentat în figura 4.4.2.

Figura 4.4.2. Schema pompei de căldură cu ejector (a) și diagrama ciclului (b) [35]

Performanța pompei de căldură este prezentată în figura 4.4.3. Coeficientul de performanță al pompei de căldură cu ejector și cu supapă de presiune în funcție de presiunea răcitorului de gaz.

Figura 4.4.3. Variația COP în funcție de presiunea evacuată de răcitorul de gaz [35]

În urma comparării ceor două variante, se poate observa avantajul adus de ejector asupra creșterii coeficientului de performanță al pompei de căldură. [35]

Pompă de căldură cu dioxid de carbon rezidențială pentru încălzirea spațiilor și încălzirea apei menajere

A fost efectuat un studiu teoretic și experimental pentru o pompă de căldură cu dioxid de carbon cu soluție salină pentru încălzirea spațiului și a apei menajere. S-a construit un prototip al unui sistem de pompă de căldură cu o putere de 6,5 kW și a fost testat pentru a documenta performanța acestuia și pentru a studia comportamentul componentelor într-un spectru larg de condiții operaționale. Pompa de căldură a fost echipată cu un contor la răcitorul de gaz tripartit pentru preîncălzirea apei calde menajere, încălzirea spațiului la o temperatură redusă și reîncălzirea apei calde menajere.

Pompa de căldură a fost testată în trei moduri diferite: doar pentru încălzirea spațiului, doar pentru încălzirea apei menajere și încălzirea simultană a spațiului și a apei menajere. Pompa trebuie să cedeze căldură unui sistem de încălzire al unei podele cu temperaturi de alimentare/evacuare de 33/28, 35/30 sau 40/35°C și temperaturi pentru apa caldă menajeră de 60, 70 și 80°C. Majoritatea testelor au fost realizate la o temperatură de vaporizare de -5°C și o temperatură a apei rezidențiale de 6,5°C. Rezultatele experimentale au arătat că o pompă de căldură cu dioxid de carbon care folosește soluție salină poate atinge un factor de performanță sezonier egal sau chiar mai ridicat decât majoritatea pompelor de căldură cu soluție salină eficiente energetic.

Datorită temperaturii critice scăzute a CO2 (31,1°C), o pompă de căldură cu CO2 va evacua căldură condensând dioxidul de carbon la o presiune supracritică în răcitorul de gaz. Pentru a ajunge la un coeficient de performanță mai ridicat, este esențial să fie evacută căldura utilă într-un interval de temperatură larg. Au fost evaluate mai multe configurații ale răcitorului de gaz. S-a constatat că un contor al răcitorului de gaz tripartit pentru preîncălzirea apei menajere, încălzirea spațiului la o temperatură scăzută și reîncălzirea apei menajere, face posibilă furnizarea apei calde menajere într-un interval de temperatură de la 60 la 85°C și contribuie la atingerea unui coeficient de performanță maxim al pompei de căldură. Figura 4.5.1 arată principiile sistemului de pompă de căldură cu CO2 unde ventilul de laminare și recipientul de lichid de joasă presiune sunt utilizate pentru a controla presiunea supracritică în răcitorul de gaz.

Figura 4.5.1. Schema prototipului pompei de căldură cu dioxid de carbon [36]

Coeficientul de performanță în varianta încălzirii spațiului este mai scăzut decât cel al celorlalte două variante. Acesta se datorează neconcordanței dintre temperaturile dioxidului decarbon și apei. Figura 4.5.2 arată COP măsurat la o presiune optimă ridicată în funcție de rata capacității de încălzire a apei menajere în varianta combinată.

Figura 4.5.2. Variația COP maxim și a capacității de încălzire în varianta combinată [36]

Figura 4.5.3. COP maxim măsurat la diferite temperaturi în tre variante: încalzirea spațiului (SH – space heating), apă caldă menajeră (DHW – domestic hot water) și varianta combinată [36]

Figura 4.5.3 arata simularea unui COP relativ pentru prototipul pompei de căldură în varianta combinată la diferite temperaturi ale apei de intrare în răcitorul de gaz.

Temperatura apei de intrare are un impact semnificativ asupra COP în timpul funcționării sistemului în varianta combinată, din momnet ce a condus la o răcire maximă posibilă a dioxidului de carbon în răcitorul de gaz pentru preîncălzirea apei. În cazul variantei în care se ia în considerare doar încălzirea apei menajere, COP prezintă o sensibilitate mai mare față de variația temperaturii apei de alimentare. Pentru a atinge un nivel ridicat al COP pentru pompa de căldură este necesară dezvoltarea unor rezervoare adaptate pentru stocarea apei calde menajere pentru a minimiza transferul de căldură și pentru amestecarea apei calde cu apa rece în interiorul rezervorului.

S-a estimat factorul de performanță sezonieră a unei pompe de căldură cu CO2 și a unei pompe de căldură cu soluție salină demare eficiență ce utilizează HFC. De asemenea s-a testat și o pompă de căldură îmbunătățită cu un COP cu 10% mai mare pentru a demonstra potențialul sistemelor cu CO2 în viitor. Tabelul din figura 4.5.4 prezintă coeficienții de performanță ale acestor sisteme (SH –space heating, încălzirea spațiului, DHW-domestic hot water, apă caldă menajeră).

Figura 4.5.4. COP măsurați în cazul celor trei variante a trei pompe de căldură [36]

În figura 4.5.5 sunt estimați factorii de performanță sezonieră pentru trei pompe de căldură pe parcursul unei operații monovalente.

Figura 4.5.5. Factori de performanță sezonieră pentru trei pompe de căldură folosite pentru apă caldă menajeră [36]

În cazul unui raport scăzut de încălzire sezonieră pentru apa caldă menajeră, pompa de căldură cu HFC arată o eficiență energetică mai mare decât cea cu CO2, din cauza COP scăzut măsurat în cazul încălziriii spațiului. În cazul unui raport ridicat de încălzire sezonieră pentru apa caldă menajeră, factorul de perfomanță sezonieră al sistemului cu CO2 se îmbunătățesște treptat.

În concluzie se poate spune că o pompă de căldură cu dioxid de carbon rezidențială cu soluție salină-apă poate obține un factor de performanță egal sau chiar mai mare decât cea mai eficientă pompă de căldură cu soluție salină – apă atâta timp cât: cererea de furnizare a apei calde constituie cel puțin 25% din totalul anual cerut de domicilii, temperatura de retur în sistemul de încălzire a spațiului este aproximativ 30°C sau mai joasă, temperatura apei rezidențiale este de aproximativ 10°C sau mai joasă și pierderile de energie din rezervorul de apă caldă menajeră sunt mici. [36]

Analiza tehnico – economică a unei pompe de căldură cu dioxid de carbon

Analiza performanțelor unei pompe de căldură cu dioxid de carbon

Problema protejării mediului înconjurător , problemă căreia i se acordă o importanță din ce în ce mai mare, a adus în atenția specialiștilor în domeniu folosirea agenților frigorifici naturali. Majoritatea agenților frigorifici folosiți în sistemele de pompe de căldură au un factor GWP de 1000 de ori mai mare decât cel al CO2. Deși reducerile de energie aduse de pompele de căldură sunt benefice în ceea ce privește atenuarea schimbărilor climatice, utilizarea acestor refrigeranți este dăunătoare. De aceea acești agenți frigorifici sunt examinați, renunțându-se la cei cu un factor GWP mare și căutându-se alternative naturale pentru aceștia. Dioxidul de carbon a prezentat un potențial ridicat ca agent frigorific alternativ nedăunător mediului. CO2 este o substanță naturală, nontoxic, neinflamabil, cu un factor GWP redus și un factor ODP nul. Este ieftin și ușor disponibil.

Sistemele ce folosesc CO2 ca și agent frigorific prezintă o eficiență scăzută atunci când operează la temperaturi de condensare din apropierea punctului critic. Cercetările actuale pe CO2 au fost concentrate mai mult pe ciclul transcritic, în care transferul de căldură are loc la temperaturi și presiuni supracritice. Spre deosebire de ciclul convețional cu CO2, ciclul transcritic nu suferă pierderi de capacitate și eficiență la temperaturi mari de evacuare a căldurii.

În cele ce urmează, este prezentată simularea numerică a unei pompe de căldură cu dioxid de carbon pentru a analiza performanțele termodinamice ale acesteia. Simularea a fost realizată cu ajutorul programului Engineering Equation Solver. Simularea a fost realizată pentru o pompă de căldură cu o putere termică de 30 de kW, o temperatură de vaporizare de 10°C, o temperatură e ieșire din răcitor de 50°C cu un grad de subrăcire de 10°C. Schema pompei de căldură este prezentată în figura 1.

Figura 1. Schema pompei de căldură cu dioxid de carbon

Pentru a începe ciclul, căldura este absorbită din mediu prin evaporarea dioxidului de carbon în vaporizator. Vaporii de dioxid de carbon sunt apoi sunt comprimați până la o presiune supracritică cu o creștere de temperatură corespunzătoare. Vaporii de dioxid de carbon cu o presiune și o temperatură ridicată cedează căldură apei în răcitorul de gaz. În final, dioxidul de carbon este evacuat din răcitorul de gaz cu o presiune ridicată și temperatură scăzută și trece prin ventilul de laminare ce ii scade presiunea, ca apoi să ajungă în vaporizator, de unde se reia ciclul. Ciclul transcritic al pompei de căldură este prezentat în figura 2.

Figura 2. Ciclul transcritic al pompei de căldură cu CO2

Metodele de calcul folosite în EES pentru realizarea simulării sunt prezentate în Anexa 1.

În tabelul 1 sunt prezentate performanțele pompei de căldură la diferite temperaturi de ieșire din răcitorulde gaz, în care:

p – presiunea evacuată de răcitorul de gaz;

q0 – este puterea frigorifică specifică;

qr – sarcina termică specifică a răcitorului;

lc – lucrul mecanic specific de comprimare;

Q0 – fluxul de căldură preluat în vaporizator;

Pc – puterea mecanică consumată de compresor;

QT – fluxul de căldură cedat.

În figura 3 este prezentat graficul variației COP în funcție de presiunea evacuată de răcitorul de gaz.

Tabelul 1. Performanțele pompei de căldură

Figura 3. Variația COP cu presiunea evacuată de răcitorul de gaz, p

Se poate observa atât din tabel, cât și din grafic că pompa de căldură cu CO2 atinge o valoare maximă a COP, 3,395, atunci când presiunea evacuată de răcitorul de gaz este de 118 bar, puterea mecanică consumată de compresor de 8,837 kW, cu un flux de căldură preluat din vaporizator de 21,16 kW. [37]

Studiu comparativ între pompa de căldură cu dioxid de carbon și pompă de căldură cu diferiți agenți frigorifici

Pentru realizarea stiudiului comparativ, am realizat simularea numerică a unei pompe de căldură cu comprimare mecanică de vapori ce folosește ca agenți frigorifici: R134a, R717, R290, R22, R404A, R407C, R410A (Anexa 2). Simularea a fost realizată în aceleași condiții ca și pompa de căldură cu CO2: pompa de căldură având cu o putere termică de 30 de kW, o temperatură de vaporizare de 10°C, o temperatură e ieșire din răcitor de 50°C cu un grad de subrăcire de 10°C. În tabelul 2 sunt prezentate performanțele pompei de căldură funcționând cu acești agenți frigorifici, în care:

Pc – puterea mecanică consumată;

Qc – fluxul de căldură cedat în condensator;

p0 – presiunea de vaporizare;

pc – presiunea de condensare.

Tabelul 2. Performanțele pompei de căldură cu comprimare mecanică de vapori cu diferiți agenți frigorifici

Coeficienții de performanță ai pompei de căldură cu comprimare mecanică de vapori, funcționând cu cei șase agenți frigorifici, au fost comparați cu coeficientul de perfomanță al pompei de căldură cu CO2. Se poate observa din figura 1 că valoarea coeficientului de performanță al pompei de căldură cu CO2 este mai scăzut decât coeficienții de performanță ai pompei de căldură cu comprimare mecanică de vapori.

Figura 4. COP ai pompei de căldură cu comprimare mecanică de vapori cu diverși agenți frigorifici și pompa de căldură cu CO2

În concluzie, se poate observa că pompa de căldură cu CO2 are un COP mai mic decât COP al celorlalte variante analizate. Deși COP acesteia este mai scăzut, dacă se ia în considerare impactul asupra mediului înconjurător, factorii GWP și ODP precum și celelalte caracteristici ale utilizării CO2 în sistemele de pompă de căldură, se poate observa că aceste sisteme reprezintă o alternativă foarte bună și de viitor.[37]

Calcul comparativ între o pompă de căldură cu dioxid de carbon și o pompă de căldură cu comprimare mecanică de vapori

Se efectuează compararea costurilor anuale echivalente pentru un sistem de pompă de căldură cu dioxid de carbon (PdCDC) și un sistem de pompă de căldură cu comprimare mecanică de vapori clasică (PdCV).

Date inițiale:

Capacitate de încălzire

Coeficientul de performanță al pompei de căldură cu comprimare mecanică e vapori

Coeficientul de performanță al pompei de căldură cu CO2

Puterea absorbită la încălzire

Cost inițial

necesar va fi calculat astfel încât să fie la fel de eficientă ca PdCV

Durata de viață

Ecuația ce trebuie rezolvată este:

Puterea electrică consumată de compresor

Costul unitar al energiei electrice consumate va fi

Durata de funcționare la putere maximă: 12 ore/zi, 365 zile/an

Costul anual al energiei consumate de compresor pentru o PdCV (costul de operare CO)

Costul anual al energiei consumate de compresor pentru o PdCDC

În concluzie, o pompă de căldură cu dioxid de carbon nu este mai eficientă decât o pompă de căldură cu comprimare mecanică de vapori clasică din punct de vedere al costurilor, dar este mult mai benefică din punct de vedere ecologic. [37]

Studiu comparativ: încălzirea cu pompă de căldură sau încălzire cu centrală termică

Încălzirea unei casese poate face în două variante: cu centrală termică sau cu pompă de căldură.

Caracteristicile centralei termice:

Putere termică ;

Randament ;

Cost inițial ;

Durata de viață .

Caracteristicile pompei de căldură:

Putere termică ;

Coeficient de performanță ;

Costul inițial va fi calculat;

Durata de viață .

Se va calcula costul inițial al pompei de căldură astfel incât această să fie la fel de eficientă ca centrala termică.

1 kWh de energie termică consumat de centrala termică costă 0,15 lei/kWh;

1 kWh de energie electrică consumat de pompa de căldură costă 0,60 lei/kWh.

Dobânda curentă pe piața investițiilor d=0,8%. Costul inițial maxim admisibil al pompei de căldură se determină din rezolvarea ecuației:

;

Centrala termică:

Unde reprezintă fluxul de căldură consumat de centrala termică. Costul anual este:

Costul de exploatare :

Pompa de căldură:

Unde reprezintă puterea electrică consumată de comrpesor. Costul anual este:

Costul de exploatare al pompei de căldură :

Deoarece cele două variante de încălzire a locuinței au durate dde viață diferite, ecuația de bilanț economic trebuie scrisă în cantități anuale echivalente.

Se poate concluziona că, pentru a fi la fel de eficientă ca o centrală termică, la costurile energetice ale României, costul inițial al pompei de căldură cu dioxid de carbon ar trebui să fie mai mic de 5900 lei. [37]

CONCLUZII

În prezenta lucrare am studiat performanțele tehnice ale unei pompe de căldură cu dioxid de carbon și impactul folosirii acesteia asupra mediului înconjurător.

Din cauza schimbărilor climatice, a poluării produse de freoni, specialiștii din domeniul climatizării și-au îndreptat atenția spre folosirea agenților frigorifici naturali în sistemele de pompe de căldură. Dioxidul de carbon este un agent frigorific ecologic și, datorită faptului că procesul de transfer de căldură are loc în regim supracritic a atras o atenție deosebită. Dioxidul de carbon este un agent frigorific ce poate înlocui refrigeranții clasici, hidrofluorocarburile (HFC) având un factor GWP foarte scăzut și ODP nul, nu este inflamabil și nu este toxic.

Se poate concluziona că, deși utilizarea sistemelor de pompe de căldură cu dioxid de carbon prezintă avantaje multiple, cum ar fi costurile reduse din punct de vedere al energiei, protejarea mediului, siguranța în funcționare și durata mare de viață, performanțele acesteia sunt afectate de un număr mare de factori, printre care: factorii climatici locali, temperaturile de la sursa de căldură și sistemul de distribuție al căldurii, nivelul tehnic al pompei de căldură, dimensionarea pompei de căldură în ceea ce privește cererea de energie termică și caracteristicile de funcționare ale pompei de căldură.

Totuși, aplicațiile sistemelor de pompe de căldură cu dioxid de carbon în România nu sunt cele mai eficiente din punct de vedere economic, deoarece energia are costuri mai mari decât ăn occident. După cum se poate observa din comparația realizată în această lucrare, din cauza costurilor ridicate de achiziție și instalare, recuperarea investiției poate dura mai mult decât în cazul unei centrale termice. Se poate observa din analiza efectuată în cadrul capitolului 5 că valoarea COP al pompei de căldură cu CO2 este foarte apropiat de cel al unei pompe de căldură cu comprimare mecanică de vapori ce folosește freoni.

Ciclul transcritic al pompei de căldură cu dioxid de carbon prezintă o eficiență ridicată în aplicațiile de încălzire a apei calde menajere sau în sistem combinat de încălzire a spațiului și a apei menajere.

Deși presupune costuri destul de ridicate, pompa de căldură cu dioxid de carbon reprezintă o alternativă eficientă la sistemele de încălzire tradiționale ce folosesc freoni sintetici ca agenți de lucru și o soluție de viitor pentru încălzirea spațiilor și încălzirea apei calde menajere rezidențiale, datorită proprietăților dioxidului de carbon.

ANEXA 1

{Calculul ciclului PC cu CO2}

{DATE IMPUSE}

{Puterea termica} QQT=30{kW}

{Temperatura de vaporizare} to=10{oC}

{Grad de subracire} dtsr=10{oC}

{Temperatura la iesirea din primul racitor} t3=50{oC}

{DETERMINAREA MARIMILOR DE STARE IN PUNCTELE CARACTERISTICE ALE CICLULUI}

{presiunea de vaporizare}

po=pressure(CarbonDioxide,t=to,x=1)

{Punctul 3}

h3=enthalpy(R744,p=p2,t=t3)

s3=entropy(R744,p=p2,t=t3)

v3=volume(R744,p=p2,t=t3)

{Punctul 4}

t4=t3-dtsr

h4=enthalpy(R744,p=p2,t=t4)

s4=entropy(R744,p=p2,t=t4)

v4=volume(R744,p=p2,t=t4)

{Punctul 6}

h6=enthalpy(R744,p=po,x=1)

s6=entropy(R744,p=po,x=1)

v6=volume(R744,p=po,x=1)

{Punctul 7}

h7=h6

s7=s6

v7=v6

{Punctul 1}

h1=h6+(h3-h4)

t1=temperature(R744,p=po,h=h1)

s1=entropy(R744,p=po,h=h1)

v1=volume(R744,p=po,h=h1)

dtsi=t1-to

{Punctul 2s}

{se adopta randamentul intern al compresorului} etac=0.90

s2s=s1

h2s=enthalpy(R744,p=p2,s=s2s)

{Punctul 2}

h2=h1+(h2s-h1)/etac

t2=temperature(R744,p=p2,h=h2)

s2=entropy(R744,p=p2,h=h2)

v2=volume(R744,p=p2,h=h2)

{Punctul 5}

h5=h4

s5=entropy(R744,p=po,h=h5)

x5=quality(R744,p=po,h=h5)

v5=volume(R744,p=po,h=h5)

{DETERMINAREA SCHIMBURILOR SPECIFICE PE CICLU}

{Puterea frigorifica specifica}

qo=h6-h5

{Sarcina termica specifica a primului racitor}

qr=h2-h3

{Sarcina termica specifica a schimbatorului ed caldura recuperativ}

qsr=h3-h4

qsi=qsr

{Lucrul mecanic specific de comprimare}

lc=h2-h1

{Debitul masic de agent frigorific}

m=QQT/qr

{Debitul volumic aspirat in compresor}

Va=m*v1

{DETERMINAREA FLUXURILOR DE CALDURA SI A PUTERII MECANICE CONSUMATE}

{Puterea mecanica consumata ed compresor}

PPc=m*lc

{Fluxul de caldura cedat in primul schimbator de caldura}

QQr=QQT

{Fluxul de caldura schimbat in racitorul recuperativ}

QQsr=m*qsr

QQsi=m*qsi

{Fluxul de caldura preluat in vaporizator}

QQo=m*qo

{Coeficientul de performanta al ciclului frigorific}

COP=QQT/PPc

Eroarebilantenerg=(QQo+PPc-QQr)/(QQo+PPc)*100

ANEXA 2

{CALCULUL TERMIC AL PCV pompa de calcdura cu comprimare mecanica de vapori}

{DATE DE INTRARE}

{Puterea Termica}

QQT=30 {kW}

{temperaturile principale din ciclul PCA}

to=10{oC}

tc=55{oC}

{grad de subracire}

dtsr=15{grd}

{MARIMI CALCULATE}

{Marimi de stare ciclu}

R$=CONCAT$('R',A$)

{Marimi de stare ciclu}

po=pressure(r$,t=to,x=1)

pc=pressure(r$,t=tc,x=1)

{punctul 1}

h1=enthalpy(r$,p=po,x=1)

s1=entropy(r$,p=po,x=1)

v1=volume(r$,p=po,x=1)

{punctul 1'}

dtsi=10 {oC}

t1`=to+dtsi

h1`=enthalpy(r$,t=t1`,p=po)

s1`=entropy(r$,h=h1`,p=po)

v1`=volume(r$,h=h1`,p=po)

{punctul 2s}

s2s=s1`

h2s=enthalpy(r$,p=pc,s=s2s)

t2s=temperature(r$,p=pc,s=s2s)

v2s=volume(r$,p=pc,h=h2s)

{punctul 2}

{Randamentul intern al compresorului}

eta_c=(to+273.15)/(tc+273.15)

h2=h1`+(h2s-h1`)/eta_c

t2=temperature(r$,p=pc,h=h2)

v2=volume(r$,p=pc,h=h2)

{punctul 3}

h3=enthalpy(r$,p=pc,x=0)

s3=entropy(r$,p=pc,x=0)

v3=volume(r$,p=pc,x=0)

{punctul 3'}

t3`=tc-dtsr

h3`=enthalpy(r$,p=pc,t=t3`)

s3`=entropy(r$,p=pc,t=t3`)

v3`=volume(r$,p=pc,t=t3`)

{punctul 4}

h4=h3`

s4=entropy(r$,p=po,h=h4)

x4=quality(r$,p=po,h=h4)

{sarcini termice specifice}

qo=h1-h4

qc=h2-h3

qsr=h3-h3`

qsi=h1`-h1

{lucrul mecanic specific de comprimare}

lc=h2-h1`

{debitul masic de agent de lucru}

m=QQT/(qc+qsr)

{fluxul de caldura cedat in condensator}

QQc=m*qc

{Fluxul de caldura preluat in vaporizator}

QQo=m*qo

{fluxul de caldura cedat in subracitor}

QQsr=m*qsr

{fluxul de caldura primit in procesul de supraincalzire}

QQsi=m*qsi

{puterea mecanica consumata}

PPc=m*lc

{Debitul volumic aspirat}

Va=m*v1`

{Coeficientul de performanta}

COP=QQT/PPc

{Eroare de bilant energetic %}

Er=(QQo+PPc+Qsi-QQc-Qsr)/(QQc-QQsr)*100

BIBLIOGRAFIE

[1] http://ro.wikipedia.org/wiki/Pomp%C4%83_de_c%C4%83ldur%C4%83 26.02.2014

[2] http://www.octavdafinoiu.ro/2008/02/10/pompa-de-caldura-pdc-investitie-rentabila-oportunitate-de-afaceri/

[3] http://istoriiregasite.wordpress.com/2010/05/17/inventii-in-istorie-climatizare-si-incalzire/ 20.03.2014

[4] http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/MASINI-FRIGORIFICE-POMPE-DE-CA32396.php 20.03.2014

[5] http://instal.utcb.ro/site/teza_doctorat_Mihai_Marin.pdf 20.03.2014

[6] http://www.ecomas.ro/index.php?option=com_content&view=article&id=9:pompele-de-caldura&catid=10:noutati-si-evenimente&Itemid=201 20.03.2014

[7]http://www.phys.utcluj.ro/resurse/Facultati/LucrariDeLaborator/Coroiu/Studuiul%20unei%20pompe%20de%20caldura%20-%20Coroiu.pdf 20.03.2014

[8] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/52-performanta-pompelor-de-caldura.html 20.03.2014

[9] http://www.d-pompecaldura.ro/index.php?item2=0 20.03.2014

[10] http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/coeficientul-de-performanta-cop/#.UzAgavmSxqU 24.03.2014

[11] http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/regimul-de-functionare-al-pompei-de-caldura/#.U4270PmSxqU 24.03.2014

[12] http://solartec.ro/mod-de-functionare-pompe-de-caldura/ 24.03.2014

[13] http://www.theworksmb.com/bivalent_heat_pump_system-25.html 03.06.2014

[14] http://www.greenpointsolutions.ro/avantaje-pompe-de-caldura.html 25.04.2014

[15] http://www.consumredus.ro 25.04.2014

[16] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/55-cum-realizeaza-pompele-de-caldura-economii-de-energie-si-cum-reduc-emisiile-de-co2-o-introducere.html 25.04.2014 25.04.2014

[17] http://casa-verde.co/pompe-de-caldura-principiul-de-functionare/ 23.05.14

[18] http://qsetgreen.wordpress.com/2009/05/19/81/ 23.05.14

[19] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/53-sursele-de-caldura-pentru-pompele-de-caldura.html 23.05.2014

[20] http://www.ferroli.ro/media/pdf/2013_Catalog_Ferroli_Pompe_de_Caldura.pdf 04.06.2014

[21] http://www.gandeste-verde.com/energie/pompele-de-caldura/ 23.05.14

[22] http://www.ecospace.ro/pompa_caldura_sol_apa.html 04.06.2014

[23] http://pompedecaldura.eu/ro/ce-sistem-mi-se-potriveste.aspx 25.04.2014

[24] http://l.academicdirect.org/Education/Evaluation/Chemistry/Chimie-Mecanica/Freoni_ProfMBalan.pdf 17.06.2014

[25] http://ro.wikipedia.org/wiki/Agent_frigorific 27.05.2014

[26] http://l.academicdirect.org/Education/Evaluation/Chemistry/Chimie-Mecanica/Freoni_ProfMBalan.pdf 27.05.2014

[27] [http://www.creeaza.com/legislatie/administratie/ecologie-mediu/ALEGEREA-AGENTILOR-FRIGORIFICI318.php 31.05.2014

[28] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/51-fluidul-de-lucru-al-pompelor-de-caldura.html 27.05.2014

[29] http://www.magazinulprogresiv.ro/articol/3907/Tehnologiile_nepoluante_incep_sa_se_impuna_Ce_implicatii_sunt_in_retail.html 17.06.2014

[30] http://www.marco-alex.ro/despre-noi/instalatii-frigorifice-cu-co2.html 17.06.14

[31] Nicolandrea Calabrese, Raniero Trinchieri (2011), RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO

Pompa di calore a CO2 (R744), disponibil on-line http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema-elettrico/climatizzazione-rinnovabili/rds-251.pdf 17.06.2014

[32] Luca Cecchinato, Marco Corradi (2005), Carbon dioxide as refrigerant for tap water heat pumps: A comparison with the traditional solution, International Journal of Refrigeration 28, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[33] Ryohei Yokoyamaa,, Takeshi Shimizua, Koichi Itob, Kazuhisa Takemura (2007), Influence of ambient temperatures on performance of a CO2 heat pump water heating system, Energy 32, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[34] Brian T. Austin, K. Sumathy (2011), Parametric study on the performance of a direct-expansion geothermal heat pump using carbon dioxide, Applied Thermal Engineering 31, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[35] Silvia Minetto, Riccardo Brignoli, Krzysztof Banasiak (2013), Performance assessment of an off-the-shelf R744 heat pump equipped with an ejector, Applied Thermal Engineering 59, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[36] Jørn Stene (2005), Residential CO2 heat pump system for combined space heating and hot water heating, International Journal of Refrigeration 28, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[37] Conf. Dr. Ing. Elena Eugenia Vasileascu (2013-2014), curs Optimizarea Sistemelor frigorifice și de climatizare

BIBLIOGRAFIE

[1] http://ro.wikipedia.org/wiki/Pomp%C4%83_de_c%C4%83ldur%C4%83 26.02.2014

[2] http://www.octavdafinoiu.ro/2008/02/10/pompa-de-caldura-pdc-investitie-rentabila-oportunitate-de-afaceri/

[3] http://istoriiregasite.wordpress.com/2010/05/17/inventii-in-istorie-climatizare-si-incalzire/ 20.03.2014

[4] http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/MASINI-FRIGORIFICE-POMPE-DE-CA32396.php 20.03.2014

[5] http://instal.utcb.ro/site/teza_doctorat_Mihai_Marin.pdf 20.03.2014

[6] http://www.ecomas.ro/index.php?option=com_content&view=article&id=9:pompele-de-caldura&catid=10:noutati-si-evenimente&Itemid=201 20.03.2014

[7]http://www.phys.utcluj.ro/resurse/Facultati/LucrariDeLaborator/Coroiu/Studuiul%20unei%20pompe%20de%20caldura%20-%20Coroiu.pdf 20.03.2014

[8] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/52-performanta-pompelor-de-caldura.html 20.03.2014

[9] http://www.d-pompecaldura.ro/index.php?item2=0 20.03.2014

[10] http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/coeficientul-de-performanta-cop/#.UzAgavmSxqU 24.03.2014

[11] http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/regimul-de-functionare-al-pompei-de-caldura/#.U4270PmSxqU 24.03.2014

[12] http://solartec.ro/mod-de-functionare-pompe-de-caldura/ 24.03.2014

[13] http://www.theworksmb.com/bivalent_heat_pump_system-25.html 03.06.2014

[14] http://www.greenpointsolutions.ro/avantaje-pompe-de-caldura.html 25.04.2014

[15] http://www.consumredus.ro 25.04.2014

[16] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/55-cum-realizeaza-pompele-de-caldura-economii-de-energie-si-cum-reduc-emisiile-de-co2-o-introducere.html 25.04.2014 25.04.2014

[17] http://casa-verde.co/pompe-de-caldura-principiul-de-functionare/ 23.05.14

[18] http://qsetgreen.wordpress.com/2009/05/19/81/ 23.05.14

[19] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/53-sursele-de-caldura-pentru-pompele-de-caldura.html 23.05.2014

[20] http://www.ferroli.ro/media/pdf/2013_Catalog_Ferroli_Pompe_de_Caldura.pdf 04.06.2014

[21] http://www.gandeste-verde.com/energie/pompele-de-caldura/ 23.05.14

[22] http://www.ecospace.ro/pompa_caldura_sol_apa.html 04.06.2014

[23] http://pompedecaldura.eu/ro/ce-sistem-mi-se-potriveste.aspx 25.04.2014

[24] http://l.academicdirect.org/Education/Evaluation/Chemistry/Chimie-Mecanica/Freoni_ProfMBalan.pdf 17.06.2014

[25] http://ro.wikipedia.org/wiki/Agent_frigorific 27.05.2014

[26] http://l.academicdirect.org/Education/Evaluation/Chemistry/Chimie-Mecanica/Freoni_ProfMBalan.pdf 27.05.2014

[27] [http://www.creeaza.com/legislatie/administratie/ecologie-mediu/ALEGEREA-AGENTILOR-FRIGORIFICI318.php 31.05.2014

[28] http://www.pompecaldura.eu/bazele-energiei-pamantului/51-fluidul-de-lucru-al-pompelor-de-caldura.html 27.05.2014

[29] http://www.magazinulprogresiv.ro/articol/3907/Tehnologiile_nepoluante_incep_sa_se_impuna_Ce_implicatii_sunt_in_retail.html 17.06.2014

[30] http://www.marco-alex.ro/despre-noi/instalatii-frigorifice-cu-co2.html 17.06.14

[31] Nicolandrea Calabrese, Raniero Trinchieri (2011), RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO

Pompa di calore a CO2 (R744), disponibil on-line http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema-elettrico/climatizzazione-rinnovabili/rds-251.pdf 17.06.2014

[32] Luca Cecchinato, Marco Corradi (2005), Carbon dioxide as refrigerant for tap water heat pumps: A comparison with the traditional solution, International Journal of Refrigeration 28, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[33] Ryohei Yokoyamaa,, Takeshi Shimizua, Koichi Itob, Kazuhisa Takemura (2007), Influence of ambient temperatures on performance of a CO2 heat pump water heating system, Energy 32, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[34] Brian T. Austin, K. Sumathy (2011), Parametric study on the performance of a direct-expansion geothermal heat pump using carbon dioxide, Applied Thermal Engineering 31, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[35] Silvia Minetto, Riccardo Brignoli, Krzysztof Banasiak (2013), Performance assessment of an off-the-shelf R744 heat pump equipped with an ejector, Applied Thermal Engineering 59, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[36] Jørn Stene (2005), Residential CO2 heat pump system for combined space heating and hot water heating, International Journal of Refrigeration 28, disponibil on-line www.sciencedirect.com

[37] Conf. Dr. Ing. Elena Eugenia Vasileascu (2013-2014), curs Optimizarea Sistemelor frigorifice și de climatizare

ANEXA 1

{Calculul ciclului PC cu CO2}

{DATE IMPUSE}

{Puterea termica} QQT=30{kW}

{Temperatura de vaporizare} to=10{oC}

{Grad de subracire} dtsr=10{oC}

{Temperatura la iesirea din primul racitor} t3=50{oC}

{DETERMINAREA MARIMILOR DE STARE IN PUNCTELE CARACTERISTICE ALE CICLULUI}

{presiunea de vaporizare}

po=pressure(CarbonDioxide,t=to,x=1)

{Punctul 3}

h3=enthalpy(R744,p=p2,t=t3)

s3=entropy(R744,p=p2,t=t3)

v3=volume(R744,p=p2,t=t3)

{Punctul 4}

t4=t3-dtsr

h4=enthalpy(R744,p=p2,t=t4)

s4=entropy(R744,p=p2,t=t4)

v4=volume(R744,p=p2,t=t4)

{Punctul 6}

h6=enthalpy(R744,p=po,x=1)

s6=entropy(R744,p=po,x=1)

v6=volume(R744,p=po,x=1)

{Punctul 7}

h7=h6

s7=s6

v7=v6

{Punctul 1}

h1=h6+(h3-h4)

t1=temperature(R744,p=po,h=h1)

s1=entropy(R744,p=po,h=h1)

v1=volume(R744,p=po,h=h1)

dtsi=t1-to

{Punctul 2s}

{se adopta randamentul intern al compresorului} etac=0.90

s2s=s1

h2s=enthalpy(R744,p=p2,s=s2s)

{Punctul 2}

h2=h1+(h2s-h1)/etac

t2=temperature(R744,p=p2,h=h2)

s2=entropy(R744,p=p2,h=h2)

v2=volume(R744,p=p2,h=h2)

{Punctul 5}

h5=h4

s5=entropy(R744,p=po,h=h5)

x5=quality(R744,p=po,h=h5)

v5=volume(R744,p=po,h=h5)

{DETERMINAREA SCHIMBURILOR SPECIFICE PE CICLU}

{Puterea frigorifica specifica}

qo=h6-h5

{Sarcina termica specifica a primului racitor}

qr=h2-h3

{Sarcina termica specifica a schimbatorului ed caldura recuperativ}

qsr=h3-h4

qsi=qsr

{Lucrul mecanic specific de comprimare}

lc=h2-h1

{Debitul masic de agent frigorific}

m=QQT/qr

{Debitul volumic aspirat in compresor}

Va=m*v1

{DETERMINAREA FLUXURILOR DE CALDURA SI A PUTERII MECANICE CONSUMATE}

{Puterea mecanica consumata ed compresor}

PPc=m*lc

{Fluxul de caldura cedat in primul schimbator de caldura}

QQr=QQT

{Fluxul de caldura schimbat in racitorul recuperativ}

QQsr=m*qsr

QQsi=m*qsi

{Fluxul de caldura preluat in vaporizator}

QQo=m*qo

{Coeficientul de performanta al ciclului frigorific}

COP=QQT/PPc

Eroarebilantenerg=(QQo+PPc-QQr)/(QQo+PPc)*100

ANEXA 2

{CALCULUL TERMIC AL PCV pompa de calcdura cu comprimare mecanica de vapori}

{DATE DE INTRARE}

{Puterea Termica}

QQT=30 {kW}

{temperaturile principale din ciclul PCA}

to=10{oC}

tc=55{oC}

{grad de subracire}

dtsr=15{grd}

{MARIMI CALCULATE}

{Marimi de stare ciclu}

R$=CONCAT$('R',A$)

{Marimi de stare ciclu}

po=pressure(r$,t=to,x=1)

pc=pressure(r$,t=tc,x=1)

{punctul 1}

h1=enthalpy(r$,p=po,x=1)

s1=entropy(r$,p=po,x=1)

v1=volume(r$,p=po,x=1)

{punctul 1'}

dtsi=10 {oC}

t1`=to+dtsi

h1`=enthalpy(r$,t=t1`,p=po)

s1`=entropy(r$,h=h1`,p=po)

v1`=volume(r$,h=h1`,p=po)

{punctul 2s}

s2s=s1`

h2s=enthalpy(r$,p=pc,s=s2s)

t2s=temperature(r$,p=pc,s=s2s)

v2s=volume(r$,p=pc,h=h2s)

{punctul 2}

{Randamentul intern al compresorului}

eta_c=(to+273.15)/(tc+273.15)

h2=h1`+(h2s-h1`)/eta_c

t2=temperature(r$,p=pc,h=h2)

v2=volume(r$,p=pc,h=h2)

{punctul 3}

h3=enthalpy(r$,p=pc,x=0)

s3=entropy(r$,p=pc,x=0)

v3=volume(r$,p=pc,x=0)

{punctul 3'}

t3`=tc-dtsr

h3`=enthalpy(r$,p=pc,t=t3`)

s3`=entropy(r$,p=pc,t=t3`)

v3`=volume(r$,p=pc,t=t3`)

{punctul 4}

h4=h3`

s4=entropy(r$,p=po,h=h4)

x4=quality(r$,p=po,h=h4)

{sarcini termice specifice}

qo=h1-h4

qc=h2-h3

qsr=h3-h3`

qsi=h1`-h1

{lucrul mecanic specific de comprimare}

lc=h2-h1`

{debitul masic de agent de lucru}

m=QQT/(qc+qsr)

{fluxul de caldura cedat in condensator}

QQc=m*qc

{Fluxul de caldura preluat in vaporizator}

QQo=m*qo

{fluxul de caldura cedat in subracitor}

QQsr=m*qsr

{fluxul de caldura primit in procesul de supraincalzire}

QQsi=m*qsi

{puterea mecanica consumata}

PPc=m*lc

{Debitul volumic aspirat}

Va=m*v1`

{Coeficientul de performanta}

COP=QQT/PPc

{Eroare de bilant energetic %}

Er=(QQo+PPc+Qsi-QQc-Qsr)/(QQc-QQsr)*100