Capitol 1. PREMIZE ȘI CONSIDERAȚII INTRODUCTIVE [627427]

Capitol 1. PREMIZE ȘI CONSIDERAȚII INTRODUCTIVE

6

7
Capitol 1. PREMIZE
ȘI CONSIDERAȚII INTRODUCTIVE1.1 Importanța și actualitatea subiectului
Secolul XXI se caracterizează printr-o acută criză de energie ca atare miza constă în găsirea surselor
de energie regenerabilă și utilizarea acestora pe scară largă.
International Renewable Energy Agency – IRENA prognozează că, până în 2030, furnizarea de ener-
gie cu sursă solară va crește de la de 2% la cel puțin 13% din energia electrică la nivel mondial. Iar bin-ul de
energie până în 2050, estimează că energia solară va fi cea mai mare sursă de energie electrică din lume. Conform aceleiași surse hidroenergia va fi în continuare dominantă triplânduse puterea instalată.
Pompele de căldură, deși descoperite practic acum mai bine de 100 de ani abia acum 10-20 de ani au
început să fie utilizate și studiate constant.
Utilizate mai ales în țările nordice sistemele bazate pe pompe de căldură trebuie adaptate fiecărei
situații în parte, iar proiectarea trebuie abordată cu mare atenție.
Energiile încadrate ca RES – Renewable Energy Sources sunt cele care pot înlocui cu succes energiile
clasice bazate pe exploatarea combustibililor clasici. Pompele de căldură sol-apă sunt considerate a folosi energii de tip UTES – Underground Thermal Energy Sources. Spre deosebire de alte tipuri de pompe aces-tea au ca sursă energii de potential redus care practic se regăsesc oriunde la adâncimi considerate reduse ( 75-100 m)
1.2 Obiectivele cercetăriiPrincipalul obiectiv al cercetării este optimizarea compresorului pompei de căldură ca parte compo-
nentă esențială a pompei de căldură cu sursă termică solul. În mod particular o atentă analiză a funcționare a pompelor în sisteme destinate clădirilor și găsirea unei soluții viabile care să fie mai eficientă.
1.2.1 Obiective secundareTema de cercetare este una generoasă și complexă așa că s-au ales mai multe obiective secundare;
1. Analiza stadiului actual al implementării pompelor la nivel internațional, dar mai ales național 3. 4.
5.
6.
7.
Domeniul construcțiilor, în particular climatizarea, este cel care consumă cea mai mare parte din ener-
gie – 41%, în concluzie o ptimizare a sistemelor de producere a energiei destinate acestui sector ar putea
reduce acest procent. De altfel problema eficienței energetice este atent monitorizată și studiată mai ales în ultimii 5-6 ani. Soluțiile inovative și care să nu aibă costuri ridicate sunt căutate asiduu.
Normele europene dar și mondiale consideră că până în 2020 s-ar putea economisi până la 26%.
Protocolul de la Kyoto este unul dintre principalele foruri care au reglementat monitorizarea reducerii
emisiilor de CO
2 având ca efect stimularea și promovarea sistemelor bazate pe energii regenerabile sau
sisteme hibride.
Pentru a eficientiza, din punct de vedere energetic o clădirie, este necesar să se realizeze anumite
obiective:
– reducerea consumurilor energetice pentru climatizare :- reabilitarea termică a clădirilor; – realizarea de construcții noi bine izolate termic.
Uniunea Europeană are în vedere creșterea ponderii energiei regenerabile cu 12% în țările membre.
1.3 Stadiul cercetărilor în domeniul pompelor de căldură geotermice
1.3.1 Stadiul cercetărilor din domeniu, la nivel internațional
Pe 27 februarie 2017, la Bruxelles, a avut loc ședința miniștrilor energiei din statele membre ale UE,
în care aceștia au făcut cunoscută poziția țării lor în ceea ce privește noul pachet legislativ "Energie curată

8pentru toți europenii". Pachetul are opt propuneri cu privire la eficiența energetică, proiectarea pieței de
energie electrică, securitatea aprovizionării, sursele de energie regenerabilă. Deasemenea se referă la revi-zuirea Directivei RES și guvernanța energetică. Din păcate nu se remarcă prevederile referitoare la sursele regenerabile de încălzire și de cogenerare.
Din păcate acest domeniu iar este văduvit de sprijin și concluzia este că ”energiile regenerabile trebuie
sa funcționeze în condiții de piață, fără sprijin, și să își asume responsabilitatea pentru siguranța sistemului energetic național„ . Deasemenea se specifică faptul că obligația de a crește cu 1%/an energia regenerabilă destinată sistemelor de climatizare ar afecta dreptul fiecarui stat membru de a-și alege cea mai potrivită strategie pentru a contribui la atingerea țintei comune.
La capitolul implementare dar și cercetare în domeniul pompelor de căldură în general, dar și al celor
de tip geotermic, în Europa cele mai avangardiste țări pot fi considerate Suedia și țările nordice dar și Elveția. Astfel începând cu 1970 în Elveția și cu 1980 în Suedia se inițiază un program care vizează efectuarea de teste pe toate tipurile de pompe de căldură pentru a se determina diversele lor probleme, puncte critice și apoi remedierea acestora astfel încât să se imbunătățească eficiența pompelor, dar să se obțină și costuri mai mici de fabricație, respectiv de vânzare. De altfel prețul destul de ridicat al echipamentelor de acest tip este elementul limitativ al utilizării lor.
În 1990 în Suedia au fost dezvoltate tehnologii și instalații de testare acestea din urmă fiind considerate
un element esențial pentru furnizarea de pompe de căldură fiabile, de înaltă calitate care să se integreze cât mai bine în sisteme de climatizare. Ceea ce este esențial este că cerințele de încercări, cu impunerea unui control al calității erau baza pentru accesarea programelor de subvenționare care să sprijine acest domeniu.
Deasemnea o altă măsură, care era menită să sprijine dezvoltarea acestui domeniu, a fost introduce –
rea etichetelor de calitate (Elveția în 1998, Suedia în 2005) etichete care au fost extinse și pentru companiile de foraj și deasemenea pentru instalațiile de foraj menite să reflecte competența de "Driller".
La centrul de testare în Winterthur-Töss s-au înregistrat date ce atestau o creștere cu 20-36% a perfor-
manțelor pompelor de căldură (COP – care reflectă eficiența energetică) în perioada 1992 – 2002 (WPZ, 2001).
În perioada 1995 – 2005 cercetările și analiza datelor de la Institutul de Cercetare Tehnică din Suedia
au relevat o imbunătățire a performanțelor pompelor de căldură cu 13-22% (SVEP , 2007).
De remarcat că în ceste două țări s-a optat pentru o soluție ce în România nu se aplică și anu-
me fundația tip schimbător de căldură. Deși, la momentul actual, acest tip de schimbătoare practic inte-grate în construcție, reprezintă doar o mică parte a sistemelor bazate pe pompe de căldură geotermice există un interes tot mai mare căci se integrează foarte bine în lucrările de fundație și prezintă un poten- țial bun de captare de energie, cu economie de costuri ce decurg din absența unor lucrări suplimentare cum ar fi cele pentru puțuri. În cadrul schimbătoarelor de acest tip se pot încadra cele incastrate în pereți diafragmă, piloți forați sau sub formă de plăci turnate in situ adică în elemente de construcție care oricum se
execută.
Această metodă nu este pe deplin fundamentată și ca atare se fac cercetări privind comportarea ma-
terialelor și elementelor de construcție cu care instalația de captare vine în contact.
În decembrie 2009 cercetătorii a două institute din Zurrich analizează aspectele legate de durata de
funcționare a pompelor de căldură geotermice, bazate pe studii teoretice și experimentale cu sisteme insta-late în Elveția, pe parcursul mai multor ani. Datele obținute s-au constituit intr-o bază științifică solidă privind funcționarea și fiabilitatea pe termen lung a sistemelor de pompe de căldură cuplate la geoschimbătoare de căldură cu puțuri verticale.
În 2012 Ladislaus Rybach, cercetător german, face o analiză succintă a sistemelor cu pompe de
căldură geotermice, cu schimbător de căldură de mică adâncime, concluzionând că ele pot avea capaci –
tăți de la 1 kW termic la mai mulți MW. Se meționează că pompele de căldură geotermice prezintă printre cele mai rapide dezvoltări de tehnologie în ceea ce privește energia regenerabilă: 1995-2010 capacitatea instalată la nivel global a crescut exponențial; cu 20% pe an. Sunt utilizate diferite tipuri de geoschimbă –
toare: cu bucle orizontale, piloți de fundație echipați cu țevi captatoare de căldură, puțuri verticale des-chise, bucle verticale închise etc. Proiectarea și montajul, în special a sistemelor de mari dimensiuni, au nevoie de dimensionare atentă, adaptate pentru a face față nevoilor locale, condițiilor climatice, proprietă-
ților solului. Proiectarea atentă garantează, de asemenea, durabilitatea sistemului. Costurile actuale de în-treținere fac ca aceste soluții să fie competitive pe piață.
În 2003, un grup de cercetători de la Institutul de Geoștiințe Aplicate face o analiză a sistemelor cu
echipamente geotermice de mari dimensiuni amplasate în zona centrală a Germaniei. Dacă în SUA sisteme-le bazate pe puțuri verticale închise sau deschise de mici adâncimi sunt ceva uzual, pentru sistemele aferen-

9
Capitol 1. PREMIZE
ȘI CONSIDERAȚII INTRODUCTIVEte clădirilor comerciale sau industriale de mari dimensiuni s-au căutat soluții vizând adaptarea tehnologiei la
anumite constrângeri ale site-ului, dar și necesarului de căldură și frig.
S-au evidențiat detalii cu privire la o serie de echipamente instalate la acel moment, problemele
care au apărut în timpul realizării lor; de exemplu UEG Wetzlar, o clădire cu laboratoare destinate expe-rimentelor chimice la care s-a aplicat unul dintre primele modele de răcire directă prin geoschimbătorul de căldură; DFS Langen (sediul central din Germania pentru Controlul Traficului Aerian), cu 154 de pu- țuri pentru încălzire/răcire, care funcționează fără antigel; Baseler Platz Frankfurt, o clădire chiar în centrul orașului Frankfurt am Main, cu un șantier de construcții și problema de a evita contamina –
rea apelor subterane din zonă; Arcade Hainburg, un cartier comercial de mici dimensiuni încălzit cu o pompă de căldură cuplată la sistem deschis cu 2 puțuri, cu o adâncime de 200 m, acestea fiind doar câ-
teva exemple și aspecte relevate de studiu.
La începutul anului 2014 la Institutul Politehnic din Torino s-a făcut o analiză a eficienței pompelor de
căldură geotermice cuplate la un geoschimbător de căldură cu captatori verticali închiși.
Tot de la începutul acestui an, un grup de cercetători de la Universitatea din Padova se ocupă de stu-
diul unor posibile aplicații privind sisteme de pompe de căldură cuplate la sol în zonele cu gradient geotermic ridicat, practic în zonele cu anomalii geotermice.
Cercetarea din Spania are și ea ca obiectiv domeniul pompelor de căldură geotermice realizând studii
privind evaluarea experimentală a unei pompe de căldură ca sursă pentru încălzirea spațiului cu producerea simultană de apă caldă menajeră (2012).
Cercetarea în domeniul pompelor de căldură geotermice s-a dovedit un domeniu de interes și în
Croația, astfel în 2012 cercetători de la Universitatea din Zagreb, de la Facultatea de Inginerie a Minelor, Geologiei și Petrolului fac cercetări privind efectul geometriei matricei de foraj și interferențele termice la un sistem de pompe de căldură geotermice.
Departamentul de Ingineria Mediului, Securitate și Sănătate în Muncă al Facultății de Științe Tehnice,
Novi Sad, Serbia, încă din 2012, întreprinde cercetări privind potențialul de energie geotermică din provincia Voivodina din punctul de vedere al utilizării directe a energiei.
La Universitatea din Moscova un grup de cercetători împreună cu ingineri de la o firmă de speci-
alitate analizează efectul termic al umidității solului asupra transferului de căldură în afara unei son-de geotermice. Este vorba despre cercetări teoretice ce demonstrează necesitatea de a lua în con-siderare schimbările de proprietăți ale stratelor de roci cu efect asupra modelării transferului de căldură din sol, din cauza umezelii provenite din procesele de condensare/evaporare în porii rocilor. Una dintre concluzii este că în proiectarea sistemului bazat pe pompe de căldură geotermice, numă-rul de foraje este adesea supraestimat și evident, parametrii asociați sunt supradimensionați, în timp ce gradul de transfer de caldură din sol este subestimat. În cele mai multe cazuri, funcționarea și performan-
țele sistemelor nu sunt cele reale datorită unei aprecieri eronate a conținutului de umiditate din sol, ce –
ea ce se reflectă în aprecierea greșită a transferului de căldură din sol. Studiul s-a bazat pe simularea matematică a porilor solului și condensarea umezelii în orificiile geoschimbătorului. Datele numerice ob- ținute din calcule sunt prezentate pentru a evalua efectul condensării umezelii din porii solului asupra tran-sferului de căldură din foraj. Analiza experimentelor a relevat un impact substanțial al condensării umidității
în porii rocilor asupra eficienței geoschimbătoarelor de căldură.
La începutul lui 2013 Departamentul de Inginerie Mecanica, Știința și Ingineria Materialelor, de la Univer-
sitatea de Tehnologie și Departamentul de Cercetări Geologice al Ministerului Agriculturii, Resurselor Naturale și
Mediului, Nicosia din Cipru fac un studiu privind proprietățile geotermice ale solului din Cipru și efectul lor asupra eficienței pompelor de căldură legate la un schimbător de căldură cu pământul. S-a analizat situația cu privire la temperaturile din sol înregistrate la șase sit-uri reprezentative în raport cu adâncimea, sezonul aferent, structura
solului, altitudinea zonei și impactul acestora asupra eficienței pompelor de căldură geotermice. Înregistrările s-au făcut începând cu octombrie 2009, temperatura fiind monitorizată de-a lungul adâncimii forajelor. Datele colectate indică în mod clar existența unui potențial suficient pentru utilizarea eficientă a pompelor geotermice care să con-ducă la economii semnificative de energie.
Universitatea Perpignan Via Domitia, din Franța a desfășurat studii privind îmbunătățirea schimbă –
toarelor de căldură geotermice cu foraje verticale prin controlul conductivității termice a cimentului bento-nitic. Forajele convenționale folosite ca schimbătoare de căldură sunt semnificativ limitate, ca performanță termică, de conductivitatea termică cimentului bentonitic. Ca atare s-au realizat amestecuri compozit de tip bentonita-grafit bazate pe folosirea fulgilor de grafit, grafit natural expandat (ENG) și particule naturale de grafit (CENG). S-a constatat că folosirea acestor tipuri de grouturi duce la creșterea cantității de energie extrasă din sol obținându-se până la 5 W/m folosind doar un conținut redus de grafit (5% în greutate) în compoziția

10groutului.
În Statele Unite activitatea de cercetare din domeniul pompelor de căldură geotermice este una bine –
cunoscută și consecventă. Se pot aminti câteva dintre temele de cercetare din ultimii ani cum ar fi: influența
dezlipirilor din schimbătoarele de căldură cu solul (dezlipirea dintre colectoare și cimentul izolator din spațiul puțului, sau dintre ramurile țevii U și stratele prin care trec). Acestea se pot produce dintr-o varietate de motive, cum ar fi procesele de contracție a materialelor de cimentare, folosirea unor materiale nepotrivite din punct de vedere termic cu mediul înconjurător. Desprinderea în schimbătoare de căldură cu solul a fost analizată cu ajutorul unui set de modele analitice simplificate unidimensionale dar și a unor modele bidimen –
sionale de elemente finite. Din cazurile studiate, dezlipirea la interfața ciment izolator/țeavă s-a dovedit a avea o importanță mai mare decât desprinderea dintre cimentul izolator și formațiunile în care sunt ampla –
sate țevile U.
În 2011 un grup de cercetători de la Universitatea din Ontario împreună cu un cercetător de la o
universitate din Turcia fac o analiză termodinamică a unui sistem hibrid de pompe de căldură geotermice. Coeficientul de performanță pe încălzire pentru sistemul global s-a ridicat la 5.34. Rezultatele indică faptul că performanțele sistemelor hibride cu pompe de căldură geotermice sunt superioare față de pompele de căldură cu sursă aerul.
În ianuarie 2013, la Universitatea din Ontario, Facultatea de Inginerie și Științe Aplicate se face analiză
comparativă a sistemelor bazate pe pompe geotermice cu alte opțiuni de încălzire, precum și o analiză a stării de fapt în ceea ce privește utilizarea pompelor geotermice.
La începutul anului 2014, în Canada, cercetători de la Thermal Technology Center (TTC), Depart-
ment of Mechanical Engineering, École de technologie supérieure Montreal, Université du Québec au făcut studii privind expansiunea directă la o pompă de căldură geotermică ce funcționează în regim de încălzire. Sistemul de încălzire analizat este de tip rezidențial și este format din 3 puțuri cu o adâncime de 30 m. În timpul campaniei de testare, ce s-a desfășurat pe o perioadă de o lună, primăvara devreme, COP – ul pompei de căldură a variat între 2.70 și 3.44, cu o medie zilnică de 2.87. Capacitatea de încălzire a ajuns la o medie zilnică de 8.04 kW, pentru un debit volumetric apă de 0.38 l/s. Rata de extracție a căldurii din sol este 58.2 W/m. Testele au evidențiat o cădere de presiune asociată cu o supraîncălzire relativ mare ceea ce conduce la ideea unui debit prost distribuit în vaporizatoarele geotermice, efectele unor factori (temperatura de intrare a apei în condensator, temperatura condensare, căderea de presiune în vaporizator, proprietățile termice ale solului și ale cimentului dintre ramurile tubului U) asupra performanței sistemului. Studiul comparativ între uti-lizarea energiei electrice și pompa de căldură ca sursă de încălzire pentru locuință arată că aceasta permite economii de aproximativ 70% la alimentarea cu energie electrică.
Începând din 2005 China începe o serie de cercetări privind pompele de caldură geotermice bazate
pe un program de modelare propriu (GEOSTAR), dedicat. Institute of Turbomachinery, School of Energy și Power Engineering, Xian Jiaotong University colaborează la un program de cercetare bine fundamentat, iar dintre temele pe care le-au dezvoltat se pot remarca:
– Cercetare experimentală privind un sistem de pompe de căldură geotermice care funcționează cu
fluide de lucru zeotrope;
– Simularea comportamentului unei pompe de căldură geotermice care funcționează cu amestec zeotrop;
– Dezvoltarea unui program de analiză a performanțelor termodinamice pentru un sistem de pompe de
căldură geotermice. Abaterile medii pentru capacitățile de răcire, și puterile compresoarelor dintre rezultatele
experimentale și cele simulate sunt de 4.5%, 3.8%, 6.5%.
– Evaluarea schimbului de căldură al geoschimbătorului de căldură în sisteme de pompe de
căldură geotermice. Rezistența termică totală a geoschimbătorului de căldură (GSC) este suma rezisten- ței solului cu cea a interiorului găurii de sondă. Dacă rezistența termică a solului poate fi calculată folosind teoria sursei cilindrice liniare, cea pentru interiorul găurii de sondă este complicat de determinat datorită rezistenței integrate convecției fluidului, conducției prin conductă și prin materialul de cimentare. Studiile eva- luează rata de schimb de caldură pe adâncimea puțurilor, calcul rezistenței termice totale, compararea diferitelor metode pentru analiza asemănărilor și deosebirilor pentru diverse tipuri de aplicații, analiza efectelor dife-riților factori separat;
– Timpul de funcționare, spațierea coloanelor, adâncimea de foraj, viteza fluidului din conductă, con-
ductibilitate termică a cimentului, temperatura de intrare și de tipul de sol. Datele experimentale de la mai multe aplicații cu sisteme bazate pe pompe de căldură geotermice aflate în Shanghai au fost folosite pentru a valida calculele și sunt extrem de utile în proiectarea unor sisteme eficiente;
– Analiza teoretică și cercetări experimentale de bază privind ajustarea sarcinii de încărcare pentru
sisteme de pompe de căldură geotermice;

11
Capitol 1. PREMIZE
ȘI CONSIDERAȚII INTRODUCTIVE- Influența a doi parametri sistemici privind funcționarea unui sistem de pompe de căldură geoter-
mice. Pentru a corela capacitatea de furnizare de energie a unui sistem de pompe de căldură geo-
termice cu necesarul de energie real, cercetarea s-a axat pe determinarea influenței a doi parametri; debi- tul de apă în interiorul condensatorului și frecvența de intrare în funcțiune a compresorului. Experimentele sunt realizate pe o pompă de capacitate mică, cu un debit de apă variind între 0.054 kg/s și 0.174 kg/s func-
ționând la o frecvență variind între 30 Hz și 55 Hz. Analiza datelor experimentale relevă relațiile dintre frecvența compresorului, debitul de apă și alți parametri importanți cum ar fi coeficientul de performanță (COP), capacitatea de căldură și puterea compresorului;
1.3.2 Stadiul cercetărilor din domeniu, la nivel național
În România deși sunt instalate sisteme bazate pe folosirea pompelor de căldură geotermice, nu există
un plan de cercetare coerent și continuu și nici o promovare susținută a acestor soluții pentru climatizare.
ANRE în ”R aportul privind rezultatele monitorizării pieței de energie electrică în luna decembrie 2015" a pu-
blicat valori pe surse primare și pe producatori – vezi tabel 1.1:
Tabel 1.1 Valorile medii specifice ale emisiilor de CO2 pe surse primare
Tipul sursei primare Emisii CO2 specifice
[g/kWh]
Cărbune 898.76
Gaze naturale 411.07
Păcură 777.26
Alte surse naturale convenționale 794.20
Regenerabile 0
Media sectorială 299.02
Valorile prezentate în tabelul 1.1 sunt obținute ca medie ponderată a emisiei specifice realizate și a
energiei electrice livrate de fiecare producător pe fiecare tip de energie primară.
În fig. 1.1 se poate vedea pe fiecare producător cantitatea de emisii de CO2.
Fig. 1.1 Emisiilor de CO2 la principalii producători de energie electrică în 2015
Cu toate acestea există câteva studii materializate în general în cadrul unor teze de doctorat atât
la Universitatea Tehnică de Construcții, Facultatea de Inginerie a Instalațiilor din București cât și la facul-
tățile similare din Iași, Timișoara sau Oradea. De remarcat că încă nu a existat practic o colaborarea co-erentă cu Institutul Geologic al României sau cu geologi pentru fundamentarea transferului de căldură dintre formațiunile geologice și instalația de captare a energiei geotermice și a modului în care proprietă-

12țile geotermice ale formațiunilor geologice înfluențează acest transfer .
Pentru o lungă perioadă cercetările s-au rezumat mai mult la analiza sistemelor bazate pe pu-
țuri deschise (unul de extracție a apei și unul de injecție a acesteia) cu exploatarea energiei din apele subter-
ane fie ele termale sau nu. În cadrul tezei de doctorat susținută de Răzvan Zeghici (2013) s-au făcut cercetări privind potențialul termic al unui zăcământ geotermal amplasat în zona de sud a țării cu extincție până în Bulgaria unde ajunge chiar să afloreze.
Tot la UTCB și tot în cadrul cercetărilor ocazionate de teza de doctorat a lui Mihai Teodor MARIN s-au
făcut cercetări vizând soluții de utilizare a surselor regenerabile pentru reducerea consumului de energie în clădiri.
În 2015 în cadrul tezei de doctorat, Galina Prică a făcut cercetări privind optimizarea pompelor de căl-
dură care au solul drept sursă termică analizând atât metode de optimizare a captării sursei primare cât și metode de optimizare a pompelor de câldură.
Studii privind influența condițiilor de lucru, asupra performanțelor pompelor de căldură s-au făcut la
Universitatea din Cluj. În cadrul acestora sunt menționate și pompele geotermice cu evidențierea faptului că în ceea ce privește obținerea unei eficiențe mari a sistemelor au o mare importanță următorii factoriː ampla –
samentul sau locația pompelor de căldură, destinația acestora, tipul și agentul frigorific.
La Universitatea din Oradea s-au făcut cercetări privind conducerea sistemelor de utilizare a energiei
geotermale, cu un studiu de caz, materializate în cadrul unei teze de doctorat. În mod firesc, având în vedere existența apelor termale ce aflorează, majoritatea studiilor și cercetărilor de la Oradea se referă la pompele geotermale adică cele ce folosesc ca sursă această apă.
La Universitatea din Timișoara s-au făcut cercetări vizând optimizarea instalațiilor termice din clădiri în
scopul reducerii consumului energetic și al emisiilor de CO
2 . S-a utilizat o pompa de căldură cuplată la sol.
Cercetările s-au materializat într-o teză de doctorat susținută în 2013 – Ing. Călin Sebarchievici.
Ca o concluzie, referitor la stadiul cercetărilor, în domeniul pompelor de căldură geotermice se poate
spune că la nivel internațional atât în țările mai dezvoltate ale Europei cât și la nivelul celor est europene se fac eforturi pentru a se rezolva cât mai multe aspecte incomplet cunoscute sau nerezolvate încă. În ceea ce privește sistemele bazate pe pompe de căldură geotermice deasemenea s-a început studiul sistematic și al schimbătoarelor de căldură cu pământul ca sursă de energie al acestora. Din păcate în România domeniul este încă destul de văduvit poate și ca rezultat al lipsei aproape totale de fonduri vizând cercetarea din orice domeniu cu atât mai mult a celei vizând pompele geotermice. Acesta necesită fonduri ridicate pentru execuția de foraje de cercetare, de achiziție de pompe de căldură, de software specializat, ca să nu mai menționez lipsa de dorință de a se constitui grupuri de cercetare interdisciplinară așa cum ar fi ideal în acest caz.
1.4 Aplicații cu pompe de căldură sol-apă, în RomâniaDeși poate părea că sunt mai multe obiective comerciale și industriale climatizate cu pompe geoter-
mice la acest moment în România sunt 445 de locuințe private, așa cum apare din baza de date a SGR, dar cu siguranță sunt mult mai multe dar nu sunt încă înregistrate în baza de date.
Deasemenea există și 4 blocuri de locuințe tip ANL, în județele Vâlcea, Mureș, Maramureș și Neamț.
Se remarcă și câteva hoteluri și pensiuni. O deschidere mai mare către aceste sisteme au arătat fir-
mele de distribuție auto care au showroom-uri și complexele de vânzări climatizate cu pompe de căldură. Și
dacă în cazul locuințelor private unde se găsesc fie pompe sol-apă, fie pompe, apă-apă atât în sistem dechis cât mai ales închis, în cazul obiectivelor comerciale este vorba de sisteme complexe alcătuite dinpompe sol-apă combinate cu pompe apă-aer, pentru a putea asigura și o bună ventilație.
În ultimii doi ani se remarcă existența a 32 de sedii de firme mici și mijlocii ce folosesc pompele de
căldură.
De remarcat faptul că și clădirile administrative, inclusiv muzeele au beneficiat de retrofitare pe bază
de pompe de căldură.
Un obiectiv extrem de important, cel mai mare laser din lume este cel de ELI NP – Extreme-Light Infra-
structure – Nuclear Physics care este în întregime climatizat cu pompe de căldură, inclusiv sistemul de răcire de la laser este tot cu pompe de căldură. Proiectul are un sistem de geoschimbător de căldură de tip vertical paralel, închis ce presupune 1100 de puțuri.
Ca și distribuție a proiectelor de climatizare cu pompe de căldură, la nivel național se observă că prin-
cipalele obiective, ca și număr dar și capacitate se concentrează în principal în zonele București și sector agricol Ilfov, judeșul Bihor și județul Timiș (Fig. 1.2).

13
Capitol 1. PREMIZE
ȘI CONSIDERAȚII INTRODUCTIVE
132
17
4
321
1
41
7
131243
1
1
12
189
3 1
111
3Locuințe
Sedii firme
Scoli
Pensiuni
Ferme
Cartier
rezidențial
Reprezentanță
auto
Port
Biserici
MuzeuLegendă
Fig. 1.2 Harta distribuției proiectelor de climatizare cu pompe de căldură
Deasemenea o serie de obiective se regăsesc în zona Iași, Sibiu și Constanța. Deși nu apar ca având
astfel de obiective în județe ca Brăila, Covasna, Harghita etc nu înseamnă neapărat că nu există ci doar
că la acest moment nu există date. Din păcate baza de date este dificil de actualizat deoarece firmele care instalează astfel de sisteme sunt reticente în a oferi date.
Este clar că existența unei baze de date este extrem de importantă oferind informații despre tendințe,
despre proiecte și eficiența acestora.
Date fiind informațiile atât în ceea ce privește cercetarea în domeniu, dar și creșterea numărului de
sisteme de acest tip se remarcă faptul că interesul este unul crescut. Deasemenea se vede că și interesul pentru sisteme destinate clădirilor rezidențiale a crescut în ultimii ani. Domeniile ce adoptă climatizarea cu pompe de căldură se diversifică mereu; dacă la început reprezentanțele auto ocupau locul principal acum s-au extins și la domeniul rezidențial, dar și la sedii administative, de firme, de primării. Școlile care au fost printre primele beneficiare de astfel de sisteme, chiar dacă la început au fost preferate sistemele deschise, acum se orientează spre sistemele închise. Clădirile de birouri, bisericile și chiar și muzele, fie ele clădiri obijnuite sau de patrimoniu beneficiază de climatizarea cu pompe de căldură.

Capitol 2. BAZE GEOLOGICE
ȘI TEHNOLOGICE ALE SURSEI DE ENERGIE

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE17Proiectarea instalatiei de pompa de caldura constă din determinarea puterii sursei calde din mediul
inconjurator și a puterii necesare de încălzire și alegerea pompei cu puterea electrică necesară transferului
de energie din mediul inconjurator către interiorul clădirii. Se impune alegerea acelei pompe de caldură care să răspundă cel mai bine necesarului de energie (caldură, condiționare, apă caldă menajeră), dar și dispo –
nibilului de energie din mediu.
Pompele de căldură, pot să absoarbă căldura din sol, de la diferite adâncimi, din apa freatică, din ape-
le de suprafață (dar numai cu condiția să nu existe pericolul ca apa să înghețe), sau chiar din aer (dar numai în perioadele în care temperatura aerului este suficient de mare, pentru a permite funcționarea pompelor de căldură, cu o eficiență ridicată). Indiferent de sursa de căldură, acestea utilizează, fie indirect, energia solară acumulată în sol, apă sau aer fie energia provenită din energia internă a Pământului ca planetă.
Sursa de caldură, solul, apa și aerul sunt elemente disponibile în cantități nelimitate pentru a fi utilizate
ca sursă pentru o pompă de căldură.
2.1 Solul
Din punct de vedere al potențialului termic, energia geotermică poate fi clasificată în două categorii:
-Energie geotermică de potențial termic ridicat;
-Energie geotermică de potențial termic scăzut.
2.1.1 Energia geotermică de potențial termic ridicat
Acest tip de energie geotermică este caracterizată prin nivelul ridicat al temperaturilor la care este dis-
ponibilă și poate fi transformată direct în energie electrică sau termică. În general se regăsește la adâncimi mari legate de prezența unor fenomene magmatice.
2.1.2 Energia geotermică de potențial termic scăzut
Acest tip de energie geotermică este caracterizată prin nivelul relativ scăzut al temperaturilor la care
este disponibilă, 10 – 15
o,C, și poate fi utilizată numai pentru climatizare și obținerea apei calde menajere ci
și pentru producerea de energie electrică.
Temperatura solului depinde de climat, stratul de zăpadă până la o adâncime medie de 10 m după
care depinde doar de energia internă a Pământului ca planetă, de dezintegrarea mineralelor radioactive, de
demagnetizarea mineralelor .
Vara Toamna Iarna3 m
2m20
15
10
5
0
Temperatura oC
5mAdâncime

Fig. 2.1 Temperaturile solului depinde de climat, stratul de zapadă,
pantele solului și de proprietățile solului până la 10 m adâncime
Energia geotermică de acest tip, este disponibilă chiar la suprafața scoarței terestre, fiind mult mai
ușor de exploatat decât energia geotermică de potențial termic ridicat, ceea ce reprezintă un avantaj. În plus
este prezentă practic, în orice zonă nefiind dependentă de prezența apelor termale.
În figura 2.1 se observă că începând de la adâncimi foarte reduse, temperatura solului poate fi consi-

18derată relativ constantă pe durata întregului an:
– La 1m temperatura solului variază între 5…15°C;
– La 1.5…3m temperatura solului variază între 7…13°C;- La 4- 5 m temperatura solului variază între 8…12°C;- La 6…10m temperatura solului variază între 9…11°C;
– La 10…18m temperatura solului variază cu mai puțin de 1°C în jurul valorii de 10°C;
– La peste 18m temperatura solului este constantă, având valoarea de 10°C.
Începând de la o anumită adâncime în sol (cca 10 – 15m), temperatura rămâne relativ constantă. La
fiecare 33m pe adâncime temperatura crescând, în medie, cu aproximativ un grad Celsius – gradient geo-
termic. Evident că e doar un gradient mediu deoarece în funcție de compoziția mineralogică și de gradul de porozitate, umiditate etc acesta poate varia foarte mult de la o zonă la alta.
Gradientul geotermic poate prezenta variații zonale, așanumitele anomalii geotermice ceea ce face
ca temperaturile din sol, chiar la adâncimi mici să fie mai ridicate. Există numeroase zone unde valoarea gradientului geotermic este una ridicată cum ar fi în zonele unde unde scoarța este mult mai subțire sau în apropierea intruziunilor magmatice. Aceste zone sunt adevărate rezervoare subterane, de energie geoter-mică de potential ridicat. Funcție de toți factorii despre care aminteam temperatura medie este de 12-15° C, la adâncimi de 75 – 100 m.
Pentru straturile superficiale, până la adâncimea de max 200 -250 m, putem vorbi de o temperatură
medie de până în16
oC.
0 2 10 14 20
August Februarie
Mai NoiembrieTemperaturăAdâncime4
10
16
1810 oCoC
m0
2
86
14124 6 8 12 18 16

Fig. 2.2 Variația temperaturii în sol, în zona de la suprafața scoarței terestre
Solul este un bun rezervor de enegie pe care o poate păstra o perioadă mai mare de timp, la un nivel
de temperatură aproximativ constantă.
Solul reprezintă o sursă de căldură eficientă, care acumulează căldură atât direct sub formă de radia –
ție solară, la partea superioară cât și indirect de la ploi, respectiv de la aer, dar mai ales din căldura internă provenită de la miezul fierbinte al planetei. Din acestă cauză și iarna, când temperaturile scad considerabil, există suficientă energie ce poate fi folosită ca sursă rece pentru pompele de căldură sol-apă. Căldura poate fi preluată cu ajutorul unor circuite intermediare plasate în sol, care absorb căldura și o transmit vaporizato –
rului pompei de căldură.
Pentru preluarea energiei geotermice se introduce unui sistem de țevi prin care circulă, fie apă, fie apă

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE19cu glicol. Acest sistem este de fapt schimbătorul de căldură cu pămantul sau geoschimbatorul de căldură
– GSC- și are marele avantaj că poate fi folosit atât pentru introducere energiei termice în sol cât ți pentru extragerea acesteia asigurând atât răcirea cât și încălzirea unui spațiu.
Dacă se folosește ca agent purtător de energie – carrier agent – apa sau o soluție salină acesta este
neutru pentru climă dar are și proprietăti termodinamice excelente și un nivel ridicat de eficiență economică.
Circuitele de preluare a căldurii din sol ce compun GSC-ul, sunt denumite colectori. Pentru realizarea
colectorilor se folosesc țevi din polietilenă reticulată de înaltă densitate – PeHD. Există diverse tipuri de in-stalare a acestori colectori.
Fie că este vorba de captatori (colectoare) orizontali fie că este vorba de captatori verticali ampla –
sați în puțuri, proiectarea lor constă în alegerea corectă a tipului și configurației acestuia. Nu există nici un schimbător perfect doar un GSC potrivit zonei în care acesta va fi amplasat și necesarului de energie pentru obiectivul căruia îi este destinat, care să asigure eficiență energetică maximă cu costuri minime. În alegerea corectă a tipului de schimbător trebuie să se țină seama de: suprafața disponibilă, de tipul de roci străbătute de GSC și transferul de căldură pe care acestea îl pot face, costurile de excavare sau de foraj. Deasemenea este importantă și cantitatea necesară de frig și de cald pentru clădirea de climatizat.
La dimensionarea unei instalații geotermice trebuie să se facă diferența între capacitatea de încălzire
respectiv de răcire și performanța anuală de încălzire, respectiv de răcire posibil de obținut. În baza conduc –
tibilității termice a solului limitate la cca. 1-3 W/mK o instalație de utilizare a geotermiei poate funcționa cu atât mai eficient dacă este proiectată să asigure atât încălzirea pe timpul iernii cât și răcirea pe timpul verii.
Această funcționare reversibilă asigură un echilibru pentru stratele de roci strabătute de instalația de captare
chiar dacă cantitatea de energie extrasă într-un sezon nu este egală cu cea injectată în sezonul următor .
În cazul instalațiilor mai mici cu o capacitate termică de 30 kW, Directiva VDI 4640, stabilește reguli
simple de dimensionare a căror esență este redată în Tabel 2.1 și Tabel 2.2. Pentru instalații mai mari este necesar un calcul mai exact în baza unei expertize a solului cu analiza datelor dintr-un puț de probă pe care se va face un TRT – Thermal Response Test.
Tabel 2.1 Modaliăți de extragere a căldurii pentru pompa de căldură
Conducte verticale Conducte orizontale Apa subterană
teren cu roci mai dure strat de sol, afânat apa din puțuri + injecție
mai scump mai ieftin cel mai ieftin
putin teren folosit mai mult teren folosit reglementări
clădiri de dimensiuni mai
mariclădiri de dimensiuni
mai miciancrasare (depunere de impurități
și reziduuri pe anumite piese ale
unui sistem tehnic, care împiedică
funcționarea lor normală
temperatura sursei con –
stantă, mai ridicatăefici –
ență ridicatătemperatura sursei
variază
2.1.3 Factorii care influențează temperatura solului
Temperatura solului este elementul cheie în schimbul de energie în sistemele de tip geoexchange.
Deasupra adâncimii de îngheț, aceasta depinde de o multitudine de factori: cantitatea de energie solară
primită (în funcție de data calendaristică, ora, ziua, latitudinea și modul de expunere a suprafeței active), proprietățile termofizice ale solului, macro și microrelieful. Toate aceste variabile fac ca temperatura de până la 10 m să fie extrem de variabilă.
Căldura înmagazinată la suprafața solului datorită radiației solare este propagată către straturile din
adâncime prin conductibilitatea calorică specifică fiecărui tip de sol. Acest proces are loc în conformitate cu legile generale de propagare a căldurii într-un sol presupus omogen în adâncime.
Propagarea căldurii de la suprafață către adâncime necesită o anumită perioadă de timp, astfel că
extremele termice se produc cu un decalaj temporal, comparativ cu cele de la suprafață, a cărui valoare depinde de adâncimea la care se efectuează observația.
Amplitudinea variațiilor zilnice și anuale ale temperaturii solului scade proporțional cu adâncimea, iar
momentul producerii maximei și minimei este mult întârziat pe măsura creșterii adâncimii, dar și în funcție de conductivitatea stratelor de roci. Temperatura solului suferă modificări (oscilații termice) până la în jur de

2010 – 15 m, după care ea se menține constantă (stratul de izotermie), unde amplitudinea variațiilor anuale se
anulează. Stratul de izotermie mai este cunoscut și sub denumirea de strat cu temperatură anuală constantă sau strat invariabil.
Deci stratul de izotermie se află la adâncimi variabile pe suprafața globului, regional și local. Adânci –
mea variază în funcție de o serie de factori care determină propagarea căldurii în sol. La latitudinile tropicale acesta se găsește la aproximativ 6-8 m, în cele temperate la 20 m, iar în ținuturile polare la 25 m. După acest strat de izotermie, temperatura solului în straturile profunde crește cu adâncimea, datorită căldurii interne a Pământului, conform gradientului geotermic. Acesta are o valoare medie de 3.3°C/100 m. Adâncimea pentru care temperatura crește cu 1°C reprezintă treapta geotermică, a cărei valoare medie este de 33 m/grad. Limitele de variație sunt între 20 și 40 m, în funcție de particularitățile stratelor geologice, de compoziția acestora dar și de prezența intruziunilor sau camerelor magmatice, de grosimea scoarței terestre în zona cu pricina etc.
2.1.4 Cantitatea de energie solară primită
Contrar convingerilor generale factorul principal al încălzirii solului nu este radiația solară, deoarece
cantitatea de căldură care ajunge din interiorul scoarței terestre prin termoconductivitate, ca și aceea rezul-
tată din procesele chimice și biologice au o importanță destul de mică. Energia solară se acumulează în sol doar până la adâncimi reduse în sol, ce variază între 10 – 15 m.
2.1.5 Proprietățile termofizice ale solului
Transportul căldurii în sol (Ts) sau schimburile de caldură în sol se realizează între suprafața solului și
părtile lui mai adânci având sensuri opuse, după cum bilanțul radiativ al suprafeței este pozitiv sau negativ.
În orele de zi, când la suprafața solului, aportul de energie radiantă depășește pierderile, aceasta se reîncăl-zeste și transmite o parte de căldura însușită către stratele mai adânci. Noaptea și iarna, în fazele negative ale bilanțului radiativ, când pierderile de căldură suferite de suprafața solului întrec primirile, se produce o răcire intensă a acesteia, fapt pentru care ia naștere un flux caloric dinspre stratele adânci, mai calde, către suprafața mai rece .
Fluxul de căldură îndreptat de sus în jos (pozitiv) împiedică ziua încălzirea prea puternică a suprafeței
solului, iar cel îndreptat de jos în sus (negativ) împiedică răcirea excesivă în timpul nopții. Gradul de încălzire a suprafeței solului depinde, în primul rând, de intensitatea radiațiilor solare. Pe lîngă aceasta însă, intervin și alti factori legați de natura și structura solului, care, la valori identice ale intensității radiației solare, determină încălziri inegale pe distanțe orizontale mici. Acesti factori sunt: conductivitatea (conductibilitatea) calorică – k,
capacitatea calorică (căldura specifică) și conductivitatea termică – λ .
2.1.5.1 Conductivitatea calorică (k)
Însușirea esențială a oricărui tip de sol este determinată de capacitatea lui de a transmite căldura de
la straturile mai calde către cele mai reci. În fizică, această proprietate este caracterizată de coeficientul de conductivitate calorică (k). Acesta reprezintă cantitatea de căldură care trece sub formă de flux în unitatea
de timp (secundă), prin unitatea de suprafață (centimetru pătrat) a unui strat gros de 1 cm, pentru o diferență de temperatură de 1°C, între partea superioară și cea inferioară a stratului considerat.
Conductivitatea calorică reprezintă deci, o mărime caracteristică fiecărui tip de sol. Deoarece în sol, în
porii rocilor dar și în natura lor internă există apă și aer, acești componenți vor modifica proprietățile termice ale solului. Influența exercitată va depinde de coeficienții calorici ai părților componente ale solului: coefici-entul caloric al apei este K = 0.0013 cal/cm.s.grd, iar al aerului, K = 0,00005 cal/cm.s.grd. Coeficientul de conductivitate al particulelor solide variază între 0,001 și 0,006 cal/cm.s.grd. În acest context, solurile cu un grad de umiditate redusă vor avea o conductivitate calorică mai mică, decât cele umede (tabelul 2).
Tabelul 2.3 Valorile coeficienților de conductivitate calorică după natura solului
Tipuri de sol Coeficient de conductivitate calorică
(cal/cm.s.grd)
Sol nisipos 0.0028
Sol poros cu apă 0.0042
Argilă 0.0044
Granit 0.0097
Gresie 0.0107

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE21Conductibilitatea calorică reprezintă proprietatea corpurilor de a transmite căldura de la o moleculă la
alta, de la o particulă la alta și de la un strat la altul. Propagarea căldurii se realizează întotdeauna dinspre
părtile cu temperaturi mai ridicate către cele cu temperaturi mai coborâte. Pentru exprimarea ei cantitativă a fost stabilit coeficientul de conductibilitate calorică care reprezintă cantitatea de căldură ce trece în timp de o secundă printr-un strat de materie cu suprafata de 1 cm
2 și grosimea de 1 cm, pe direcția normală față de
cele două suprafețe limitante între care există o diferență termică de 1°C (cal / cmp / s / grd ).
Pe lângă căldura specifică apreciabilă, valoarea mare a coeficientului de conductibilitate calorică face
ca ziua, căldura primită de suprafata solului umed, să se transmită mai rapid către stratele din adâncime, ea încălzindu-se astfel mai putin decât suprafata unui sol uscat, care având o conductibilitate calorică redusă, acumulează în stratul superficial cea mai mare parte a căldurii primite și se încălzeste excesiv. Efectul con-ductibilitătii calorice se suprapune evident efectului îndreptat în acelasi sens al căldurii specifice. Noaptea, conductibilitatea calorică mare înlesnește transmiterea căldurii dinspre stratele mai adânci ale solului umed către suprafața lui, suplinind astfel o parte din căldura pierdută de acesta prin radiație și făcând-o să rămână mai caldă decât suprafața unui sol uscat a cărui conductibilitate calorică slabă nu permite formarea unui aflux de căldură notabil din adâncime.
Pentru zonele de la suprafață, până la adâncimi de maxim 10 – 15 m, conductibilitatea calorică a so-
lului scade sensibil vara, în orele din jurul amiezii, când apa din spatiile lui lacunare se evaporă și creste în intervalele când cad precipitații.
Transmiterea căldurii în sol se realizează si prin deplasarea apei de la suprafată către adâncime (prin
permeabilitate) și invers (prin capilaritate). În consecintă, cresterea coeficientului de permeabilitate a solului determină și o sporire a coeficientului său de conductibilitate calorică.
2.1.5.2 Capacitatea calorică, este considerată cantitatea de căldură necesară pentru creșterea tem-
peraturii unui corp cu un grad. Ea se exprimă prin noțiunea de căldură specifică. Atunci când reprezintă cantitatea de căldură necesară ridicării temperaturii cu 1șC a unui gram de substanță poartă denumirea de căldură specifică gravimetrică sau masică (c), iar în cazul creșterii temperaturii unui centimetru cub dintr-un corp oarecare se numește căldură specifică volumetrică sau volumică (C). Când corpul respectiv este expri-mat în grame, căldura se numeste „gravimetrică” (cal/g. grad), iar când este exprimat în cm3, „volumetrică” (cal/cm
3·grad).
Între aceste două mărimi există relația:
C = c · r , și respectiv c = C/r (2.3)
în care r este densitatea corpului (în cazul nostru a solului).
Această formulă este derivată din relația calorimetrică:
Q = cm(t1-t2) (2.4)
având în vedere legătura strânsă dintre masă, volum și densitate, valoarea căldurii specifice gravime –
trice este dată deci de raportul dintre C și p.
Căldura specifică volumetrică a unui sol format din constituenți solizi obișnuiți și lipsit în totalitate de
apă a fost găsită în urma unor determinări repetate și este cuprinsă între 0.4 și 0.6 cal/cm 3grd.
Pentru același sol și în aceleași condiții de umiditate, căldura specifică gravimetrică a fost egală cu
0.2-0.4 cal/g.grd. Datorită faptului că în natură solul conține, de cele mai multe ori, o anumită cantitate de aer
și apă, la determinarea căldurii specifice a solului trebuie să se ia în considerare și valorile caracteristice ale acestora. Căldura specifică a aerului este de 0,0000306 cal/cm3grd., iar a apei este de 1 cal/cm3grd. (cea mai mare valoare), deci solurile uscate se încălzesc și se răcesc mai repede în primii centimetri decât cele umede. Din aceeași cauză solurile nisipoase (care nu rețin apa) se încălzesc și se răcesc mai rapid decât solurile argiloase (care păstrează apa un timp îndelungat).
Dată fiind căldura specifică foarte mare a apei și foarte mică a aerului, deci, cu cât în sol există o
cantitate mai mare de apă și una mai mică de aer, cu atât căldura lui specifică va crește. Din această cauză, cantități egale de căldură încălzesc mai puțin un sol umed (cu căldură specifică mai mare) decât unul uscat (cu căldură specifică mai mică). Tot ca o consecință a căldurii specifice superioare, răcirea radiativă a solului umed este mai lentă, el rămânând noaptea, mai cald decât cel uscat.
Solurile argiloase rețin mai multă apă, își măresc astfel căldura specifică și se încălzesc ziua mai putin
decât cele nisipoase, rămânând mai calde pe timpul nopții. Datorită acestei însusiri în perioada ploilor din mai – iunie, temperatura solurilor argiloase din zona temperată a emisferei nordice este cu 10-15 ° C mai scăzută decât a celor nisipoase. În schimb, vara și toamna, când ploile sunt mai puțin frecvente, solurile

22argiloase rămân mai calde decât cele nisipoase.
2.1.5.3 Conductivitatea termică
Pentru o caracterizare mai bună a particularităților fizice ale solului trebuie să se ia în considerare și
conductivitatea termică.
Indică viteza de propagare în sol a variatiilor termice (încălziri sau răciri) sau altfel spus, viteza de
uniformizare a temperaturii diferitelor strate ale solului.
Coeficientul de conductivitate termică (λ) este exprimat prin relația:
λ = k
c [cm2/s]
(2.5)
Coeficientul de conductivitate termică se exprimă în cm2/s.
Valoarea lui va fi mai mare în cazul aerului (0,16 cm2/s) și mai mică pentru apă (0,0013 cm2/s).
Aceste date explică de ce solurile complet uscate au o conductivitate termică mai mare, în compara –
ție cu cele umede. Conductibilitatea termică este o proprietate esențială a solurilor în precizarea propagării
căldurii și a variațiilor temperaturii în adâncime.
Proprietățile termice ale diferitelor tipuri de sol sunt influențate în principal de umiditate și gradul de
afânare (porozitate sau conținutul de aer). Relațiile dintre acești factori și însușirile termice ale unui sol cer-noziomic slab alcalin sunt prezentate în tabelele 2.4 și 2. 4.
Tabelul 2.4 Relația dintre gradul de umectare
și proprietățile termofizice ale solului
Coeficient
de conductivitate calorică
(cal/cm ·s ·grad)Căldură specifică

(cal/cm2· s /grad)Umiditatea
solului
0.00065 0.340 2.0
0.00148 0.420 7.0
0.00253 0.630 20.5
Tabelul 2.5. Relația dintre porozitate și proprietățile termofizice ale solului
Volum
de aer
(%)Dimensiuni
particole de sol
(mm)Căldură specifică
volumetrică
(oC)Coeficient de conductivitate
calorică
(k)
50.7 0.25 0.281 0.00048
57.0 0.25 – 1.00 0.215 0.00041
60.2 1.00 – 2.00 0.226 0.00040
62.6 2.00 – 3.00 0.213 0.00039
63.9 3.00 – 4.00 0.210 0.00038
64.7 4.00 – 5.00 0.206 0.00037
Deoarece porozitatea și structura fiecărui tip de sol variază în limite relativ restrânse, compoziția chi-
mico-minerală este factorul principal care caracterizează fiecare tip de sol. Umiditatea este alt factor variabil care influențează considerabil proprietățile termice ale solului. Deci, pentru un anumit tip de sol, cercetarea regimului termic trebuie făcută ținând cont de conținutul de apă al rocilor și de proprietățile hidrofizice (repre-zintă valori specifice ale umiditatii din sol, exprimata în procente la care se petrec modificari evidente în ceea ce priveste reținerea, mobilitatea și accesibilitatea apei) ale acestuia. În situația comparării proprietăților termice ale diferitelor categorii de sol este obligatoriu să se țină seama și de rolul porozității și de structura fiecărui tip de sol.
2.1.5.4 Macro și microrelieful
Macro și micro relieful determină diferențieri apreciabile ale temperaturii solului mai ales la adâncimi

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE23reduse. În regiunile de câmpie temperatura la suprafața solului dar și în adâncime este mai mare în compa-
rație cu zonele de dealuri sau munte. Nu numai marile forme de relief influențează temperatura solului, ci și microrelieful.
Regimul termic de funcționare a vaporizatoarelor pompelor de căldură destinate încălzirii aerului sau
apei, depinde de tipul sursei de căldură utilizate de pompa de căldură.
Pentru a concluziona se poate spune că principalele caracteristici care influențează transferul de ener-
gie atât de necesar în cazul sistemelor bazate pe pompe de căldură că în funcție de tipul stratelor de roci traversate și a reliefului unde urmează să fie amplasat GSC-ul pompei de căldură, s-au stabilit elementele care recomandă folosirea unui tip sau altul de extragere a anergiei din sol/apa – Tabel 2.1,
“Sursa rece" o reprezintă caldura din interiorul Pământului. Aceasta are mai multe surseː
– descompunerea în timp a substanțelor radioactive conținute în mod normal în majoritatea
tipurilor de roci, în cantități mai mari sau mai mici,
– apropierea de zonele fierbinți, camere magmatice, – apropierea de miezul fluid al Pământului, prin micșorarea grosimii scoarței terestre,
– demagnetizarea naturală a rocilor paramagnetice.
Dacă stratele de roci străbătute de instalația de captare beneficiază și de prezența unui acvifer tran-
sferul de energie este cu atât mai ridicat.
2.1.6 Proprietățile termofizice ale acviferelor Pentru sistemele deschise mediul în care se amplasează sistemele este apa. Dealtfel ți unele dintre
sistemele închise se pot amplasa în apă ca mediu; lacuri, iazuri.
Acviferele nu sunt bazine de apă ca iazurile și lacurile ci ape ce sunt cantonate în strate de roci poroa –
se; nisipuri, bolovănișuri, calcare poroase, gresii poroase sau chiar roci dure dar puternic fracturate.
În tabelul 2.6 sunt prezentate câteva dintre proprietățile hidraulice ce influențează transferul de ener-
gie cu ațt mai mult sunt importante în cazul sistemelor deschise.
Tabelul 2.6 Proprietăți hidraulice ale rocilor
Tipul de roci traversatePorozitate
(n) %Capacitate specifică
(Sy) %Conductivitate
hidraulică
Argil 30-60 1-10 10-12 – 10-8
Nisip fin (silt) 35-50 5-30 10-9 -10-5
Nisip 25-50 10-30 10-7 – 10-3
Pietriș 20-40 10-25 10-4 – 10-1
Gresie 5-30 5-25 10-9 – 10-4
Majoritatea rocilor cristaline
neafectate de dezagregare< 1 < 1 10-13 – 10 -5
Roci silicatice (granit, șist,
gnais), bazalt0.1**
"<0.05*
< 1-50"<1-30dependent de gradul
de fragmentare
10-13 – 10 -2
Pompe de căldură sol/apă
În cazul pompelor de căldură sol-apă , instalatiile pot fi:
– cu vaporizare indirectă: în acest caz, între vaporizator și izvorul de căldură (sursa rece), este re-
circulat un agent intermediar ( ex. încălzirea agentului termic secundar din instalația interioară a clădirii cu
ajutorul agentului intermediar răcit în vaporizator prin vaporizarea agentului frigorific) .
– cu vaporizare directă: în acest caz, vaporizatorul este chiar solul care are rolul de schimbător de
căldură – ex. încălzirea agentului termic secundar din instalația interioară a clădirii prin vaporizarea unui agent frigorific în conducte de cupru plasate în sursa de căldură (solul) .
În cazul pompelor de căldură sol-apă , există mai multe soluții constructive pentru vaporizatoareː
– Pompă de căldură sol-apă cu colectori orizontali;

24- Pompă de căldură sol-apă cu colectori verticali;
– Pompă de căldură sol-apă cu vaporizare în sol – vaporizare directă dispusă în captatoare din cupru.
În primele două cazuri, construcția vaporizatorului este realizată sub forma unui schimbător de căldură
cu plăci brazate, dar diferă regimul termic de funcționare a vaporizatorului, iar în al treilea caz, vaporizatorul
este construit sub formă de serpentine realizate din țevi de cupru cauciucate, amplasate direct în sol.
Agentul frigorific actionează într-un sistem închis de conducte, ceea ce înseamnă că acesta nu are
nici un fel de contact cu mediul inconjurator. Agentul frigorific are proprietatea de a vaporiza la temperaturi scăzute de până la – 40
oC. Pentru a vaporiza, pompa de căldură are nevoie de o anumită cantitate de ener-
gie, preluată din sursa de căldură care poate fi aer, pământ sau apa din pânza freatică. Această cantitate de energie este preluată prin intermediul unui furtun colector de plastic tip PEM care poate fi îngropat în pământ, fixat pe fundul unui lac, sau în puțuri forate în pământ pentru a ajunge la pânza freatică, soluția depinzând de amplasarea clădirii și spațiul pe care clientul îl are la dispoziție.
Circuit
deschisEnergie hidrotermală
Energie regenerabilă
din mediul ambiant
( directiva 2009/28/CE -RES)
Energie geotermică
Solul ca rezervor
de energie
UTESExploatarea căldurii
din sol
Circuit
închis
Circuit închis
orizontalCircuit închis
vertical
Piloni eneregeticiCircuit deschis
cu contact
în acvifer
ATESCircuit deschis
cu contact
în sol
BTES
Fig. 2.3 Tipuri de captatori și energia folosită
Există două tipuri de colectori, din punct de vedere al amplasării lor în sol, care pot fi utilizați în circui-
tele intermediare de preluare a căldurii din sol și anume colectori verticali și colectori orizontali.
În funcție de modul de circulație al agentului termic primar prin geoschimbătorul de căldură:
– sisteme închise – agentul termic folosit poate fi apa sau apă combinată cu etilenglicol. În acest caz agentul
termic ce transmite energia nu vine în contact direct cu mediul în care este amplasat geoschimbătorul de căldură;
– sisteme deschise – agentul termic purtător este apa. Este vorba despre existența a cel puțin un puț
de extracție și unul de restituție. Practic se extrage apa dintr-o zonă a acviferului, și apoi este fie reintrodusă
în același orizont al acviferului, în altă zonă. Atunci când acvuferul nu permite restituția apei, aceasta poate să

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE25fie folosită apoi în alte scopuri (în cazul hotelurilor și pensiunilor se poate folosi la spălarea rufelor sau pentru
curățenie, se poate folosi la udarea spațiilor verzi), după care se deversează în sistemul de canalizare.
Sisteme orizontale
o țeavă 2 țevi 4 țevi multi
țeavăplacă
sisteme orizontale amplasate în sol
sisteme orizontale amplasate în lacuri sau iazurituburi
concentricecircuit
simplucircuit
dubluSisteme verticale
sisteme verticale închise sisteme verticale deschisecircuit
elicoidalpuț de
extracțiepuț de
restituție
Fig. 2.4 Tipuri constructive de colectori
Sisteme cu colectori orizontali
În Fig. 2.5 sunt prezentate tipurile de colectori orizontali, care se montează la adâncimi de cca. 1.5 – 4 m.
Cu cât sunt amplasați la o adâncime mai mare în sol cu atât cantitatea de cîldură captată din sol este mai mare.
Cap de tur
Ramură
Cap de retur
Retur inversat
–
Fig. 2.5 Tipuri constructive de captatori orizontali
a. montaj serie, b. montaj paralel, c. montaj slinky
Atât colectorii orizontali, cât și cei verticali, sunt realizați în marea lor majoritate, din tuburi de polie –
tilenă reticulată, de înaltă densitate. Acest material îi asigură o durată foarte lungă de exploatare, în jur de
50-100 ani, absolut necesară acestor echipamente. Deși utilizarea unor colectori metalici în sol, ar reduce suprafața de schimb de căldură concomitent cu obținerea unei cantități de energie mai mare, nu este indi –

26cată, datorită corozivității ridicate a solului. Înlocuirea colectorilor distruși ar reprezenta o operație extrem de
complexă și costisitoare.
În cazul captatorilor orizontali, căldura preluată din mediul ambiant este transmisă vaporizatorului
pompei de caldură sol-apă, printr-un amestec apă-agent de protecție la înghet (ap[ sarată sau maxim 20% propilen glicol și apă); punctul de înghet al acestei soluții este de aproximativ -15°C. Chiar dacă acest ames-tec reduce într-o oarecare măsură eficența instalației este imperios necesar să se folosească deoarece cantitatea de energie extrasă din sol este mai mare decât poate el furniza și în zona adiacentă ecartul de temperatură este +5
oC – 5 oC.
Colectori verticali de extragere a energiei din sol
În cazul colectorilor verticali există două soluții constructive și anume:- colectori verticali în sistem deschis – colectori verticali în sistem închis
Fiecare dintre aceste tipuri de sisteme are vantajele și dezavantajele sale, în plus nici unul nu este
perfect și imuabil. În funcție atât de particularitățile unuia sau altuia dintre tipuri, de caracteristicile mediului în
care va fi amplasat, de necesarul de căldură și de frig și necesarul de apă caldă menajeră se va alege sis-temul cel mai bun pentru combinația de factori locali, adică sistemul care să producă necesarul de încălzire/răcire, apă caldă menajeră cu un consum de energie electrică redus și deloc de neglijat să aibă un preț de instalare cât mai redus.
Colectori verticali în sistem deschis
Un factor important în proiectarea unui geoschimbător este calitatea solului. În funcție de legislația țării
unde se execută forajele acestea pot avea până la 250m adâncime.
Fig. 2.6. Sistem de climatizare cu sonde verticale pentru captarea căldurii din sol
Execuția sondelor verticale se folosește pentru situațiile în care suprafețele de teren disponibile sunt
mici, ca o alternativă la geoschimbătorul cu colectoare orizontale, dar și ca singură soluție constructivă posi-bilă pentru clădirile cu necesar termic ridicat ce nu pot fi asigurate de GSC orizontal.
Adâncimea medie uzuală este de 100m. Există mai multe tipuri de țevi, dintre acestea cele mai folosite
sunt cele fabricate din polietilenă reticulată de înaltă densitate (PeHD). Există sisteme cu colectoare verticale sau oblice realizate din cupru cu sau fără protecție de plastic.
Deși prezintă o serie de neajunsuri importante sistemele deschise sunt, din punct de vedere energetic,
cele mai eficiente, dar și mai ieftine decât cele îmchise. Dealtfel ele sunt și cele mai cunoscute la noi. La început, prin anii 2000, au fost sistemele instalate cel mai frecvent. După o lungă experiență în instalarea și exploatarea acestora au ieșit la iveală problemele tehnice, deloc neglijabile, ce apar în timp. Astăzi nu mai sunt atât de frecvente pentru obținere a energiei necesare climatizării.
Dintre problemele pe care le pune folosirea acestui tip de instalații se pot enumera:
– conținutul ridicat de săruri al celor mai multe dintre apele subterane ce se depun pe schimbătorul de
căldură – soluția este fie să se înlocuiască schimbătorul când se colmatează fie să se monteze o stație de
dedurizare;
– cantitatea mică de energie ce este permis a se extrage – max 5
oC – în conformitate cu impunerile

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE27 legale în vigoare;
– necunoașterea completă a caracteristicilor acviferului poate crea probleme deoarece debitele de apă
ale acviferelor pot fi reduse sau variabile;
– dacă se schimbă dinamica acviferului sau se extrage un debt mai mare decât permite acviferul apare
imposibilitea de a mai introduce apa în acvifer, după o anumită perioadă.
Aparent costurile sunt mai mici fiind necesare în general 2 puțuri unul de extracție și unul de restituție,
sau unul de extracție și 2 de restituție. În realitate acviferele au o dinamică adesea insuficient cunoscută
și deasemenea pot asigura doar un anumit debit așa că după o anumită perioadă de funcționare încep să apară probleme tehnice pentru a căror rezolvare sunt necesare fonduri deloc neglijabile.
Una dintre principalele probleme este aceea că atunci când se extrage un debit mai mare chiar și cu
o valoare mică puțul se înnisipează și apa extrasă este extrem de tulbure, cu particule de nisip care strică schimbătorul de căldură al pompei. Rezolvarea reprezintă atât înlocuirea schimbătorului cât și denisiparea puțului. O altă problemă și mai gravă este faptul că acviferul nu mai permite restituția apei. Uneori este o bună soluție forajul unui alt puț de restituție amplasat la o anumită distanță de primul. Evident că această distanță uneori poate depăși suprafața aflată în posesia proprietarului instalației, dar uneori după o perioadă și acesta nu mai permite restitușia caz în care, de cele mai multe ori se alege soluția deversării apei la canal. ACeastă soluție este ilegală.
În figura 2.7 se poate vedea un sistem deschis cu captatori verticali cu principalele caracteristici ale
acestora.
Fig. 2.7. Puț de extracțiie
Fig. 2.8. Sistem de pușuri verticale deschise
Captatori verticali în sistem închis
În Figura 2.9 sunt prezentați colectori verticali, cu 2 circuite și elementele lui constitutive. Aceștia sunt
denumiți și sonde sau „buclă închisă”, care se montează în puțuri forate, la adâncimi medii ce variază de la

2870 cca. la 120m. În România nu este permis forajul la adâncime mai mare. Există diferite metode tehnice și
modalități de instalare. Cele mai des utilizate sunt cele cu un singurcircuit (o țeavă U) sau cu 2 circuite (2 țevi U). Așa cum se arată în studii făcute pe sisteme funcționale (Galina PRICĂ) sistemele cu 2 circuite sunt mai eficiente și au un raport calitate preț mai bun.
Retur pentru apă sărată
Tur pentru apă sărată
Grout pe bază de ciment și bentonită
Contragreutate
Fig. 2.9. Sonde verticale cu dublu circuit
Spațiul liber rămas după introducerea țevilor este umplut cu un material izolator care împiedică tran-
sferul termic între tur și retur. Acest amestec poate avea diverse rețete și se bazează pe bentonită ameste-cată în diverse procente cu apă și nisip silicios
.t
rct
r ct
r c
1 a) b) c)
t
rc c
gt
rt
rt
rt
rt
rc
2 a) b) c)
Fig. 2.10 Poziționarea țevilor în puț
1. Sisteme cu circuit simplu; 2. Sisteme pentru circuit dublu
a) poziție corectă; b), c) – poziții incorecte; c – ciment izolator , t – tur, r – retur

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE29 Agentul termic de transport al energiei termice poate fi apa, apa cu sare, apă cu glicol. Pentru anumite
zone se consideră o valoare medie 50 W/m ca și energie termică și atunci rezultă că, pentru un necesar de
6.5 kW, este nevoie de o sondă de 130 m sau două sonde de 65 m.
În realitate necesarul de sonde, adâncimea acestora, tipul geoschimbătorului sunt elemente destul de
dificil de calculat, respectiv de ales. Pentru ușurarea alegerii unui GSC cât mai bun pentru situația analizată se folosesc softuri specializateː EED, GeoLoop, GeoStar etc.
În cazul unor asemenea instalații, trebuie informată Regia de apă despre realizarea unui asemenea
proiect de construcție și obținută aprobarea de forare. În cazul în care, la forare, se ajunge la un strat de apă freatică, atunci trebuie obținută încă o aprobare de la organele competente pentru funcționarea instalației cu sonde pentru sol.
Amestecul apa-agent de protecție la înghet curge pana la nivelul cel mai de jos prin două tuburi si revine
la vaporizatorul pompei de caldură prin celelalte două. Astfel se preia cadura din sol, pe toata lungimea tuburilor.
Pentru o extracție mai bună a energiei din sol este necesară montarea de distanțiere care să asigure
un bun contact al țevilor cu solul. Puterea de extractie difera foarte mult, funcție de stratele de roci traversate și este ]ntre 20 și 100 W/m lungime de sondă.
Colectorii verticali, prezintă avantajul necesității unor suprafețe reduse de amplasare, dar prezintă
dezavantajul costurilor ridicate de realizare a forajelor, cca. 80…100 Euro/m. Pentru dimensionarea lor, la calculul adâncimii necesare pentru foraj, respectiv a lungimii sondelor, trebuie să se țină seama de tipul so-lulului și de cantitatea de apă din sol.Distanța minimă dintre sonde este 5m. Sistemul cu sonde verticale are același principiu la baza cu cel al captatoarelor plane.
Avantaje : fiabilitate ridicată, nu ocupă spatiu mare, COP ridicat (având în vedere că „sursa rece” este
mai „caldă” decât în cazul captatoarelor plane), nu necesită aprobari speciale de mediu.
Dezavantaje : investiție mai mare, necesită utilaje speciale, personal bine pregătit în execuția lucrării.
O altă variantă este cea a geoschimbătorului cu colectori verticali coaxiali cu un tub interior din mate-
rial plastic pentru alimentare și un tub exterior din material plastic pentru recircularea apei sărate.
Roci durePuț ø 150 mmȚeavă de oțel ø 200 mmSolȚeavă de plasticInelIzolație termică
Fig. 2.10 Puț vertical coaxial pentru roci dure
– nu necesită introducerea unui tub exterior

30Un alt tip de colector care însă poate fi instalat atât orizontal cât și vertical este colectorul elicoidal.

Fig. 2.11 Colector elicoidal a. orizontal, b. vertical
În Fig.2.9 sunt ilustrate 2 tipuri de colectoare elicoidale din cupru dar ele pot fi și din țeavă de PeHD.
Există și colectoare radiale, de regulă executate din țeavă de cupru.
Fig. 2.10 Colector radial cu țevi din cupru
Pentru montarea colectorilor plani și a sondelor, este necesar ca solul să aibă anumite calități: să fie
compact și uniform. Aceste două proprietăți sunt necesare pentru a se evita deteriorarea mecanică a colec-
torilor cu atât mai mult când este vorba de colectori orizontali din țeavă de PeHD. O umiditate mai ridicată are avantajul că asigură o conductivitate mai bună a solului ceea ce duce la un transfer de căldură mai bun, dar o umiditate prea mare poate duce la alunecări de teren sau doar la modificarea liniarității țevilor din sol și chiar la ruperea lor prin deplasare forțatț. Solurile argiloase umede asigură o mai bună extragere a căldurii decât rocile de tip dur cu umiditate scăzută.
Montarea sondelor ce traversează orizonturi de ape freatice se face doar în cazul în care agentul de
transport este apa pentru a evita riscul contaminării acestor acvifere cu glicol.

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE31Tabel 2.2 Sarcina termică liniară specifică, teoretică,
asigurată de colectorii verticali, în funcție de tipul solului
Tipul soluluiSarcină termică specifică
[W/m]
Sol nisipos uscat 20
Sedimente uscate 30
Sol nisipos umed 40
Ardezie, bazalt 55
Sol argilos umed 60
Roca densă (conductibilitate termica ridicată) 80
Argilă cu circulație puternică a apei freatice 100
Există în literatura de specialitate, mai ales în cea geologică tabele cu sarcina termică a diferitelor
tipuri de sol, dar ele sunt doar teoretice și orientative deoarece rocile nu sunt materiale create de om cu
concentrații cunoscute de diverse minerale ci elemente naturale în care în același strat concentraâia unui element sau a mai multora poate varia atât pe orizontală cât și pe verticală – Tab. 2.2
Valorile indicate ]n tabelele 2.2 sunt acoperitoare pentru dimensionarea circuitului de captare/cedare
a energiei din / in sol, adică ajută la decizia folosirii unui GSC în sol.
Adâncimea sondei este limitată doar de caracteristicile de ordin economic; în general ele având între
75-150 m (uzual, 100 m). Distanța dintre puțuri trebuie să fie de cel putin 5 m până la 6 m.
La o instalație cu sonde de căldură pentru sol, în condiții hidrogeologice normale, se poate porni de la
o putere medie a sondelor de 50 W/m pe lungime de sondă (conform VDI 4640). În cazul în care sonda se află intr-o rocă permeabilă, se pot realiza puteri de extracție mult mai mari, dar cel mai bine se poate estima în urma efectuării TRTFG -ului ( Test de răspuns termic al formațiunilor geologice) pe puțul de probă.
Astfel, considerând că:
– ql
0 = 40 W/m, sarcina termică liniară specifică asigurată de sol,
– Qo = 1 kW, pentru o sarcină termică extrasă din sol
rezultă o suprafață necesară pentru amplasarea colectorilor
1o S – Qo
q1o – 1000
– 25 [m]
(2.1)
undes -Q
0 –
q10 –
Volumul agentului de lucru pentru captarea energiei se calculează cu formula:
[m3]
CΔt G = 3600 Psol
(2.2)
undeР
sol – puterea de extragere a căldurii din sol [kW]
Cp – caldura specifică a agentului de lucru [KJ/Kg K]Δt – diferenta de temperature [K]Pentru stabilirea puterii pompei de circulație în circuitul exterior sunt necesare cunoașterea următorilor
parametri:
– rezistența țevii colectoare,

32- rezistența vaporizatorului,
– rezistența armăturilor (cca 50 mbar), – rezistența la înghet – stabilirea factorul de corecție în cazul unei vâscozități mai ridicate . Puterea termică extrasă printr-un puț se recomanda a fi de cca 7 …10.5 kW. În fiecare puț se introduce
o conductă în formă de buclă U. Aceste bucle sunt conectate la conductele de colectare-distribuire plasate
orizontal în șanțuri și care fac legătura cu pompa termică amplasată în clădire.
Adâncimea de forare depinde de puterea termică a pompei termice (fig.30). Pompele termice frecvent
întâlnite pe piață sunt în gama de puteri 10…30 kW, fiind însă în continuă extindere. Prețurile de achiziție a pompelor termice scad odată cu creșterea puterii acestora ( o pompă termică de 1.7 kW costă aproximativ
1000 $, iar una de 5 kW revine la un preț cuprins între 2000 și 3000 $, însă la puteri ce depășesc 10 kW
prețul poate ajunge la 4000…7000 $). Dacă supradimensionarea pompei termice conduce la funcționarea
ciclică exagerată a acesteia, subdimensionarea sa atrage consumuri suplimentare de combustibil pentru sistemul de încălzire auxiliar; acesta din urmă trebuie dimensionat cu atenție avînd în vedere temperatura medie a aerului din timpul iernii. Este extrem de important ca circuitul să fie cât mai bine calculat deoarece atât supradimensionarea cât și subdimensionarea aduc consumuri mai mari de energie electrică și chiar pot duce la deteriorarea sistemului.
Pentru o corectă proiectare a sondelor geotermice destinate pompelor de căldură este importantă
capacitatea de extracție respectiv de vaporizare sistemul de bucle reprezentând de fapt vaporizatorul sis-temului frigorific. Tabelul 2.3 arată valorile care pot fi utilizate pentru instalațiile < 30 kW pentru regimul de încălzire cu ajutorul pompelor de căldură pentru bucle U cu lungime maximă 100 m.
Date despre tipurile de sol – care influențează considerabil capacitatea de extracție a sondei geoter-
mice – pot exista la serviciul geologic sau firma de foraj dar este indicat să se determinate in situ pe puțul de probă, atât prin analiza carotelor de roci cât și cu ajutorul TRTFG.

Tabel 2.3 Variația capacității de extracție funcție de tipul solului și rocilor componente
pentru 1800 de ore și pentru 2400 de ore de funcționare
Ore de funcționare 1800 2400
Tip de solCapacitate de extracție
W/n
Subsol prost – uscat λ<1.5 W/mK 25 20
Sol bun din roci stabile saturate cu apă λ<3.0 W/mK 60 50
Sol foarte bun din roci stabile saturate cu apă λ<3.0 W/mK 84 70
Tipuri de roci
Pietri, nisip < 25 < 20
Pietri, nisip cu acvifer 65 – 80 55 – 85
Dinamică ridicată a acviferului 80 -100 80 -100
Argilă umedă 35 – 50 30 – 40
Piatră de var 55 – 70 45 – 60
Gresie 65 – 80 55 – 65
Rocă magmatică acidă – granit 65 – 85 55 – 70
Rocă magmatică bazică – bazalt 40 – 65 35 – 55
Gnais 70 – 80 60 – 70
Așa cum se vede din tabel 2.3 există un ecart mare care nu ar putea sta la baza unui calcul corect, cu
atât mai mult în cazul în care rocile ar fi afectate de dezagregare, de fisuri etc.
În cazul instalațiilor mai mari cu putere de încălzire a pompelor de căldură >30 kW sau utilizare supli –
mentară a surselor de căldură (de exemplu răcire) trebuie efectuat un calcul exact. În acest scop se deter-
mină ca bază necesarul de căldură și de frig în clădire. Pentru dimensionarea instalației de sonde trebuie efectuat un puț de probă. Analiza rocilor traversate de acest foraj va arăta situația geologică și hidrologică exactă. Cu ajutorul unor teste geofizice sau cu ajutorul unui TRTFG se va putea determina capacitatea tere-nului de a furniza energie geotermică.
Pentru execuția buclelor puțurilor este necesară o autorizație conform legislației în domeniul apelor .

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE33Trebuie respectată o distanță minimă față de clădire de 2 m. Structura de rezistență a clădirilor nu
trebuie afectată. În cazul unui geoschimbător cu mai multe sonde geotermice distanța recomandată dintre
acestea trebuie să fie de minim 5 m pentru cazul în care acestea sunt mai scurte < 50 m, iar la lungimi de sondă > 50 min trebuie să fie 6 m. La sondele geotermice care se utilizează pentru necesarul de frig dispu –
nerea trebuie efectuată cât se poate de exact pentru a evita influențare reciprocă.
Sondele se așează pe șiruri cu 2 tipuri posibile de matrice ca în fig. 2.1 1
P1
P2
P3P4
P5
P65.0 m
5.0 m5.5 m
P1
P2
P3P4
P5
P65.5 m
Fig. 2.11 Colector radial cu țevi din cupru
Distanța de pozare față de alte conducte de aducțiune este de 70 cm.
Dacă se coboară sub această distanță, conductele trebuie protejate cu izolare suficientă.Calcularea metrilor de sondă necesari (metrii de forare) la un COP al pompei de căldură de 4 (0/35) și
la o capacitate de extracție de 50 W/m:
Tabel 2.4 Lungimea minimă și numărul de sonde recomandate
în funcție de capacitatea de încălzire
Capacitatea
de încălzire
[kW]Capacitatea de
vaporizare
[kW]Lungime minimă
sondelor
[m]Recomandare
număr de sonde
4 3.0 60 1 sondă 60 m
6 4.5 90 2 sonde 50 m
8 6.0 120 2 sonde 60 m
10 7.5 150 2 sonde 80 m
12 9.0 180 2 sonde 90 m
14 10.5 210 3 sonde 70 m
16 12.0 240 3 sonde 80 m
18 13.5 270 3 sonde 90 m
20 15.0 300 3 sonde 100 m
În cazul GSC cu colectori verticali spațiul ocupat este unul restrans. Funcționarea sistemului se ba-
zează pe faptul că la o adâncime de 10 -15 m temperatura geotermică este aproximativ constantă tot timpul
anului, aceasta crescând cu adâncimea. Colectoarele tip sonda sunt sistemul cel mai stabil.
În cazul pompelor de căldură cu colectarea energiei din puțuri la adâncime (circuit închis), se folosește
ca agent de transport al energiei fie apa fie un amestec de apă și glicol care circulă prinbucla U introdusă în puțul forat. Energia colectata este transferată unui fluid în pompa de căldură denumit agent frigorific. Acesta trece la starea de agregare gazoasă prin compresia căruia se atinge o temperatură suficient de ridicată pen-tru a asigura încalzirea și apa caldă menajeră.
În figura 2.11 sunt ilustrate câteva soluții constructive de extragere a energiei din sol, cu ajutorul colec-
torilor verticali în sistem închis.

34
Fig. 2.12 Soluții constructive de captare a energiei geotermice
Energia preluată din aer/sol/apă este
s/m193.00035.02.0600081.0wl =⋅⋅=
Determinarea coeficientului de convecție al lichidului purtător de căldură – α1
Coeficientul de transfer convectiv la răcirea agentului purtător de căldură α1, variază în funcție de
configurația spațiului în care are loc curgerea apei și de regimul de curgere.
Pentru încălzirea apei in miscare ascendenta in spatiul dintre doua placi verticale plasate la distanța
δ, cu diametrul hidraulic dh = 2 · δ, se poate utilize relatia:
Nu1=0.3Re1 · Pr10.633 0.3

dh – diametrul hidraulic [m], (dimensiunea caracteristică a secțiunii canalului în planul de prelevare).
La schimbătoarele cu plăci valoarea lui dh = 2δ, unde δ – distanța dintre plăci [m];
Criteriul Nusselt la răcirea apei în spații limitate :
Nu1=α1 ·dech
λ1
dech – diametrul echivalent al spațiului prin care circulă apa – lungimea caracteristică – l, [m]
λ1 – coeficientul de conductivitate termică, [W∕mK]
Criteriul Reynolds:
Re1=w1 ·dech
υ1
dech=2* δ, rezultă Re1= = 860.50.193 ·2· 0.0035
1.57· 10-6
Rezultă α1, coeficientul de transfer convectiv pe partea soluției purtătoare de căldură:

Capitol 2 BAZE GEOLOGICE ȘI TEHNOLOGICE
ALE SURSEI DE ENERGIE35 α1= · 0.3 · Re1 · Pr1λ1
2δ0.663 0.3
[W∕m2K]

Rezultă,
α1= · 0.3 · 860.5 · 11474 = 4789.90.566
2 · 0.00350.663 0.3
[W∕m2K]
Determinarea rezistenței termice conductive, prin straturile de ulei, oțel inoxidabil și piatră, cu gro-
simile și conductivitățile:
Σ = + + δ
λδu
λuδol
λolδp
λp [m2K∕W]
– se admite că stratul de rocă are grosime de δp= 0.1 mm și o conductivitate termică λp= 1…3 W/mK.
– pentru suprafața de vaporizare (țevi,plăci) în cazul schimbătorului de căldură cu plăci, λol = 50…60 W/mK
– pelicula de ulei, depusă pe suprafața de vaporizare, pe partea freonilor are grosimea δol = 0.05…0.08 mm
și λol = 0.13…0.15 W/mK
Rezultă:
Σ = + + = 0.289 · 103δ
λ0.03 · 103
0.140.5 · 103
200.1 · 103
2 [m2K∕W]
Determinarea coeficientului de convecție la vaporizarea freonului, α0
Metoda globală de predicțe a coeficientului de transfer de căldură convectiv la vaporizare este medoda
ideală în cazul freonilor pentru vaporizarea din spații reduse – în țevi, între plăci.
Pentru cazul țevilor verticale – se asimilează cu vaporizarea în spații largi. În acest caz se remarcă
dependența de diferența de temperatură între peretele țevii și fluidul frigorific, ∆ θ
α0= 37 · p0 · (∆ θ)0.75 1.2
[W∕m2K]
unde:
p0 – presiunea de vaporizare corespunzătoare temperaturii de vaporizare, θ0
∆ θ – diferența de temperatură între peretele țevii și fluidul frigorific
PENTRU CAZ Δθ > 2 K, PENTRU R22, PENTRU θo= – 40…+10°C, se poate utiliza relația :
]Km/W[q62 6.0
0⋅=α
unde:
q – densitatea fluxului termic, ]m/W[2, q = Фo / So ]m/W[2
Rezultă:
Km/W81.573 200062 6.0
0 =⋅=α
Coeficientul global de transfer termic k, va fi:
]Km/W[1 11k2
0 1∑α+λδ+α=
Rezulta,
Se compara cu valoarea propusa lui kp:

36 Rezulta,
4 10010006.507 1000=⋅−=ε
Daca eroarea este satisfacatoare (Є < 4%), se determina coeficientul global de transfer termic k mediu:
km = kp + k
2[W∕m2K]
și se continuă calculul de dimensionare.
Rezultă:
km = 1000 + 507.6
2- 753.8
[W∕m2K]
Deci, coeficientul global de transfer termic final, va fi Km/W8.753 k2
m=
Suprafata definitiva de transfer termic a vaporizatorului:
()2
m m0
0 m63.628.75310000
kS =⋅=θ∆⋅Φ=
Deci, rezulta un schimbator de caldura cu placi din otel inoxidabil cu urmatoarele caracteristici tehnice: distanta dintre placi , δ = 3.5 mm; latimea placii , l = 200 mm; inaltimea placii , h = 1200 mm;
suprafata de transfer de caldura pentru o trecere :
2
01 m48.02.12.02hl2 S =⋅⋅=⋅⋅=
Rezulta numarul de treceri :
748.0263.6
S2SN
010
T =⋅=⋅=

Deci , se vor prevedea un număr de plăci : Np = 2*Nt + 1 = 15 [ placi ]
Dimensionarea racordurilor (de agent frigorific și agent purtător de căldură), se face cu relatia de
continuitate a debitelor, ținând seama de vitezele recomandate, w:
pentru lichide: w = 0.5…1.5 m/s sau 0.5 … 2 m/s sau 2 …8
pentr vapori: w = 2…8 m/s sau 12 – 15 m/s
Pentru agent frigorific:
unde:
di – diametrul interior al conductei prin care circulă agenții de lucru, [m];
Qm – debitul masic de agent frigorific [kg/s];
v – volumul masic al agentului frigorific [m3∕kg] , la stările de intrare (lichid) si iesire (vapori suprain
călziți) în/din vaporizator;
w – viteza agentului frigorific în vaporizator [m/s], la intrare (lichid) și ieșire (vapori) în/din vaporizator .
– pentru agent frigorific lichid:

37
Capitol 1. PREMIZE
ȘI CONSIDERAȚII INTRODUCTIVERl4 mR
iwv Q4d⋅π⋅⋅= [ m ]
– pentru agent frigorific vapori:

Rv'1 mR
iwv Q4d⋅π⋅⋅= [ m ]
– pentru agent purtător de căldură lichid:
lvl
iwQ4d⋅π⋅= [ m ]
unde debitul volumic de agent purtător de căldură:
]s/m[QQ3
lml
vlρ=
Stabilirea definitivă a dimensiunilor racordurilor se face în concordanță cu STAS 404/80. Țevi din oțel
fără sudură, Anexa G