Instalatie de Incalzire a Unei Hale cu Pompe de Caldura

INSTALAȚIE DE ÎNCALZIRE A UNEI HALE CU POMPE DE CALDURA

Utilizarea surselor regenerabile de energie și protecția mediului au devenit preocupările principale la nivel mondial . Acestea se datoreaza in special diminuarii rezervelor de resurse de combustibili convenționali . Lucrarea aceasta va prezenta o instalație de încalzire a unei hale de logistică cu ajutorul pompelor de caldură, unde sunt depozitate piesele inaintea operației de montaj pe o linie automatizată. Condițiile de depozitare si temperatură din hală trebuie avute in vedere pentru evitarea deteriorării suprafețelor metalice datorate condensului și implicit oxidării cât si dimensiunile si toleranțele care datorită temperaturilor scazute sau prea ridicate vor ieși din cotele nominale pentru montaj

În prima parte a lucrării am surprins un scurt memoriu tehnic în care voi relata rolul si funcționarea sistemelor de incălzire cu pompe de caldură, amplasamentul halei , dimensiunile și materialele folosite la construcție.

A doua parte a lucrării conține memoriul justificativ de calcul imparțit pe 7 capitole. Primul capitol va cuprinde calculul necesarului de căldura , stabilesc temperatura interioară în funcție de temperatura exterioară a mediului și calculez pierderile de caldură prin avelopa clădirii și prin ventilație . Voi prezenta și o soluție de reducere a pierderilor de căldura prin montarea perdelelor de aer în cadrul ușilor. Cel de al doi-lea capitol va cuprinde soluții tehnice de încălzire utilizând pompele de caldură in cele trei variante constructive : sol-apă, aer-apă și apă-apă urmând să aleg cea mai eficientă soluție. Capitolul trei este alocat analizei care va determina agentul de lucru al pompei de caldură și respectiv calcului termic pentru cele trei variante analizate . In capitolul patru voi face o analiză tehnico-economică care va determina soluția optima pentru alegerea tipului de pompă de caldură. Capitolul cinci este destinat calcului de proiectare și alegere a principalelor aparate din componența instalației : compresor, schimbătoare de caldură și ventiloconvectoare

Capitolul șase va cuprinde instalația de automatizare cu elementele componente de reglaj și sigurantă a instalației. Capitolul șapte va cuprinde normele de protecție a muncii necesare in instalațiile cu pompe de caldură iar in capitolul opt se va prezenta schema instalației

La finalul lucrării sunt atașate anexele și bibliografia precum și un CD care va conține proiectul in format electronic și unele calcule și date care nu au fost introduse în lucrarea prezentată.

CUPRINS

Memoriu tehnic

1. Introducere………………………………………………………………………………..…6

1.1. Descrierea funcționării sistemelor de incalzire cu pompe de caldură …………….…..6

1.2. Stabilirea dimensiunilor si amplasamentul……………………………………………..9

Memoriu justificativ de calcul

2. Determinarea necesarului de caldură ……………………………………………………

2.1. Temperatura exterioara de calcul…………………………………………………..

2.2. Parametri climatici interiori ……………………………………………………….

2.3. Calculul pierderilor de caldură ………………………………………………….

2.3.1. Sarcina termică transmisă prin elementele constructiei ……………………

2.3.2. Sarcina termică transmisă prin acoperiș…………………………………….

2.3.3. Sarcina termica transmisă prin pardoseală……………………………………

2.3.4. Caculul sarcinii termice pierdute prin deschiderea ușilor…………………..

2.3.5. Calculul sarcinii termice dată de iluminat…………………………………

2.3.6. Calculul termic dat de stivuitoare………………………………………….

2.4. Calculul sarcinii termice transmise datorită procesului de ventilare …………….

2.4. Calculul necesarului de caldură pentru prepararea apei calde ……………………

3. Soluții tehnice de incălzire utilizând pompe de caldură ………………………………..

3.1. Varianta sol-apă………………………………………………………………….

3.2 .Varianta aer-apă…………………………………………………………………..

3.3 .Varianta apă-apă…………………………………………………………………..

4. Calculul termic al sistemului de incălzire utilizând pompe de caldură………………..

4.1. Schemele constructive si funcționale ale schimbătoarelor de căldură……………

4.1.1. Condensatorul……………………………………………………………..

4.1.2. Vaporizatorul……………………………………………………………….

4.1.2.1. Vaporizator in pompe de caldură apă-apă………………………..

4.1.2.2. Vaporizator in pompe de căldura sol-apă cu colectori……………

4.1.2.3. Vaporizator in pompe de căldură sol-apă cu vaporizare directa ……

4.2. Calculul de alegere a agentului frigorific ……………………………………..

4.3. Calculul instalatiei in varianta apă-apă………………………………………

4.3.1. calculul instalației cu ajutorul diagramei lgh-p…………………….

4.3.2. Calculul termic al instalației cu ajutorul programului CoolPack………

4.3.3. Calculul termic al instalației cu ajutorul programului EES……………..

4.4. Calculul instalației in varianta sol- apă…………………………………………

4.5. Calculul instalației in varianta aer-apă…………………………………………..

5. Analiza comparativa tehnico-economica și alegerea soluției optime………………………..

5.1. Analiza tehnică ……………………………………………………………………….

5.2. Analiza economică…………………………………………………………………..

6. Calculul de proiectare si alegere a aparatelor componente……………………………….

6.1. Alegerea pompei de caldură…………………………………………………………

6.2. Alegerea compresorului……………………………………………………………

6.3. Alegerea condensatorului…………………………………………………………..

6.4. Alegerea vaporizatorului…………………………………………………………….

6.5. Alegerea ventilului de laminare ………………………………………………………

6.6. Alegerea ventiloconvectoarelor………………………………………………………

6.7. Alegerea boilerului …………………………………………………………………….

7. Schema de automatizare ………………………………………………………………………

7.1. Analiza funcțiilor sistemului de automatizare. Reglare și protecție……………………..

8. Norme de tehnica securitații muncii……………………………………………………………

8.1. Reguli generale……………………………………………………………………………….

8.2. Reguli privind agentul frigorific ……………………………………………………………

8.3. Reguli privind conectarea electrică ………………………………………………………..

8.4. Reguli privind darea in exploatare si intreținerea…………………………………………

9. Schema instalației………………………………………………………………………………

10. Anexe………………………………………………………………………………………….

11. Bibliografie………………………………………………………………………………

1.1 Descrierea rolului și funcționării sistemelor de încalzire cu pompe de căldură.

Resursele limitate de combustibil convențional și orientarea la nivel mondial spre protecția mediului au atras dupa sine folosirea a noi surse de energie regenerabilă , una dintre ele fiind folosirea energiei captate de la soare si stocată in mediile naturale precum aerul , roca, solul sau apele subterane. Folosirea pompelor de caldură a inceput in anii 80 dar datorită deficiențelor tehnice a dus la o decădere rapida a folosirii lor. Aceste deficiențe au fost inlăturate și astăzi, pompele de căldură reprezintă echipamente de incălzire sigure , eficiente și inovative cu funcționare economică din punct de vedere al consumului de energie electrică

Pompa de căldură poate fi comparată cu funcționarea inversă a unui frigider , Aceasta preluind căldura stocată intr-o sursă de caldură și o transferă sistemului de incălzire din interiorul unui imobil pe când frigiderul preia căldura din interiorul lui si o transferă in exterior, ( fig. 1.1)

Fig.1.1 Principiul de funcționare al unei pompe de căldură [1]

Pentru ca pompa de căldură să poată extrage energia acumulată in sursa de căldură și să o transfere în sistemul de incălzire al imobilului sunt necesare trei circuite separate

Circuitul primar, care va extrage energia termică din sursa de căldură și va menține o temperatură de ieșire scăzută pentru a putea prelua energia disponibilă din această sursă

Circuitul agentului frigorific , care este un circuit închis ce preia energia termică captată din sursa de căldură si o transferă către circuitul agentului termic

Circuitul agentului termic este reprezentat de către sistemul de încalzire al imobilului si boilerul pompei de caldură

In figura ce urmează se va observa clar cele trei circuite ( fig. 1.2)

Fig.1.2 Circuitele de funcționare ale pompelor de căldură [2]

În continuare voi prezenta procesele care au loc in fiecare circuit in parte. Din circuitul primar face parte un colector care este umplut cu un amestec de glicol si apă pentru a fi protejat la ingheț, care este agentul primar . Acest circuit poate fi folosit in trei variante : Scufundat intr-un lac , ingropat in sol sau in aer liber , de unde va capta energia termică inmagazinată crescând astfel temperatura agentului primar . Acesta va fi impins in vaporizatorul pompei de căldură

Agentul frigorific , care este în circuit închis este împins de catre compresor prin vaporizator , (care este un schimbător de căldură) și forțat sa fiarbă pe măsură ce presiunea din ventilul de expansiune scade , iar apoi vaporizează sub forma de gaz.

Datorita diferenței de temperatura dintre cei doi agenți si conform principiului întâi al termodinamicii agentul primar va ceda energia captata agentului frigorific in vaporizator . Agentul frigorific care conține acum o cantitate mare de energie sub forma de căldură , va fi transferat spre compresor unde i se va ridica atât temperatura cât și presiunea

Agentul frigorific î-si va continua apoi traseul spre condensator . Aici are loc procesul de condensare , agentul frigorific cedează energia sa termică catre agentul secundar din circuitul de incălzire . Temperatura agentului frigorific va scădea și î-și va relua starea lichidă de agregare

Circuitul de incălzire care a preluat energia termică cedată de agentul primar în condensator va transporta această energie până la radiatoare, ventiloconvectoare , incălzire prin pardoseală și boiler . Agentul frigorific trece apoi prin ventilul de expansiune unde presiunea sa va scădea și va incepe sa vaporizeze iar intregul proces se va relua.

Aceste pompe de căldură sunt extrem de eficiente deoarece foloseste energia termică disponibilă din sursa de căldură și redă de doua sau trei ori mai multă energie termică decât energia electrică consumată În situația în care se vor realiza construcții moderne cu izolație termică imbunatațită și cu reducerea necesarului de căldură , utilizarea acestor pompe reprezintă cea mai buna opțiune , fiind o metodă foarte economică și ecologică de incălzire a imobilelor (fig. 1.3 ) .

Fig.1.3 Coeficientul de performanța al pompei de căldură [3]

1.2 Stabilirea dimensiunilor și a amplasamentului

Hala pentru care vrem să proiectam această instalație de incălzire se află situată in localitatea Sebeș din județul Alba .

3.Soluții tehnice de încalzire utilizând pompe de căldura

Unul din principalele obiective al politicii energetice la nivel mondial este reducerea consumurilor de combustibil fosil ( fig. 3.1.) . În această ordine de idei, folosirea surselor regenerabile de energie pentru incălzirea locuințelor, este un obiectiv atent urmarit , având ca scop într-n context de dezvoltare durabilă, creșterea siguranței în alimentarea cu energie , dezvoltarea la scara comercială a tehnologiilor energetice viabile și protejarea mediului înconjurător. Instalațiile termice ce folosesc surse de energie regenerabilă sunt în prezent o soluție convenabilă pentru o energie ieftină și relativ curată.

Fig.3.1. Evoluția consumului cumulat de energie primara la nivel mondial si previziunile

Internațional Energy Agency pâna în anul 2030 [4]

Deoarece nu produc emisii poluante, energiile regenerabile prezintă reale avantaje pentru mediul mondial și pentru combaterea poluării locale. Reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră devenind o preocupare de actualitate pe plan mondial, are ca scop folosirea energiilor regenerabile. Studiile oamenilor de știință au devenit în ultimii ani tot mai unanime în a aprecia că o creștere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră, va conduce la o incălzire globala a atmosferei terestre ( fig. 3.2.), cu efecte dezastruoase asupra mediului înconjurător

Fig.3.2. Emisiile anuale de dioxid de carbon defalcate pe diferiți combustibili [5]

Ținând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii si de înlocuire a instalațiilor existente , este necesar sa se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii curate și a celor care presupun consumuri energetice reduse . Pentru utilizarea practică a surselor de energie , pe lângă o temperatură cât mai constantă pe parcursul întregului an, mai trebuie respectate următoarele criterii:

– Disponibilitate suficientă, capacitate cât mai mare de acumulare, nivel cât mai ridicat de temperatură, regenerare suficienta, captare economica , timp redus de așteptare ,să nu fie corosivă.

Funcționarea pompelor de căldură are la bază principiul al doilea al termodinamicii. Acest principiu ne spune că pentru a putea face posibilă trecerea căldurii de la un corp cu o temperatură mai scazută la un corp cu o temperatură mai ridicată este nevoie de consum de lucru mecanic

Prin utilizarea unei instalații termice sub forma unei pompe de căldură se face posibilă preluarea energiei termice solare, înmagazinată sub forma de caldură din apă, sol sau aer și folosirea ei pentru încălzirea locuințelor

Toate aceste surse de căldură mai sus menționate, reprezintă un acumulator al sursei de energie solare , astfel încât utilizând aceste surse , se utilizează indirect energia solară. Pentru mediul din care se extrage căldura, apa,solul sau aerul se foloșeste denumirea de sursă caldă sau de mediu răcit . Mediul în care se valorifica căldura se numeste sursa rece sau mediu încălzit. În componența unei pompe de căldura se regasesc în mod obligatoriu urmatoarele componente : un vaporizator, un condensator și un ventil de laminare. Fără aceste aparate instalația nu ar putea funcționa. Alte componente care se mai gasesc in instalatiile pompelor de căldură sunt schimbatoarele de căldură intermediare a căror importanța le face sa fie folosite frecvent. Un rol important le au și elementele de automatizare care realizează o crestere a randamentului instalației si o utilizare usoară .

3.1. Varianta sol- apă

Pompa de căldură în varianta sol- apă utilizează energia solară stocată in sol. Solul capteaza energia solară fie direct prin radiație, fie sub formă de căldură provenită de la precipitatii si din aer . Solul înmagazinează și menține căldura pe o perioadă mai lungă de timp ceea ce conduce la un nivel de temperatură al sursei de căldură aproximativ constant de-a lungul unui an ceea ce facilitează funcționarea pompelor de căldură cu un randament ridicat. Temperatura în sol se situeaza intre 7 si 130 C pe toată perioada unui an la o adâncime de 2m.

Cantitatea de căldurăcare se poate utiliza și prin urmare mărimea suprafeței necesare depinde foarte mult de calitatea solului. Mărimile determinante referitor la acest aspect sunt în primul rând cantitatea de apă din sol , cantitățile de componente minerale si mărimea porilor umpluti cu aer . Capacitatea de acumulare si conductibilitatea termică sunt cu atât mai mari cu cât solul este umectat cu apă si cu cât cantitatea de componente minerale este mai ridicată iar numarul de pori este mai redus

În următorul grafic (fig. 3.3) avem reprezentate variația temperaturii in sol

Fig.3.3 Variația temperaturii în sol [6]

Solul are proprietatea de a acumula și a menține energia solară pe o perioadă mai mare de timp, ceea ce duce la o funcționare a pompelor de căldură cu un coeficient de performanță ridicat datorat in principal unui nivel de temperatura aproximativ constant pe durata întregului an .

Căldura acumulată în sol se preia prin schimbătoare de căldură montate orizontal, numite și colectori pentru sol (fig.3.4) sau prin schimbătoare de căldură montate vertical sub denumirea de sonde pentru sol Aceste instalații funcționează în regim monovalent și se utilizează aproximativ la fel cu cele care extrag căldura din apa freatică, deoarece sondele și schimbătoarele de căldură se vor monta cât mai aproape de suprafața pânzei freatice. Montarea sondelor si a schimbătoarelor de căldură la un nivel inferior pânzei freatice nu se aproba de obicei , deoarece nu se poate prevenii avarierea orizontului pânzei freatice. Astfel se va proteja apa aflată la un nivel inferior

Fig.3.4. Instalatie termica cu pompă de căldură de tip sol-apă cu captatoare plane sau

verticale [7]

Preluarea căldurii din sol se face prin intermediul tuburilor din polietilenă , montate în sol pe o suprafață mare . Tuburile se amplasează paralel, în sol , la o adâncime de 1,2m pâna la 1,5m și în functie de diametrul tubului , la o distanța de cca. 0,3m până la 0,7m astfel încât pe fiecare metru pătrat de suprafață de captare să fie montat cca. 1,43m până la 2m de tub .

Avantajele sistemului sunt fiabilitatea, simplitatea in realizarea lui, investiție relativ mică, COP relativ ridicat . Dezavantajul principal al sistemului este necesarul ridicat de spațiu si faptul că nu poate fi amplasat pe orice sol . In cazul utilizării colectorilor orizontali, in jurul tuburilor nu trebuie sădite plante cu rădăcini foarte adânci.Regenerarea solului se realizează deja incepând cu a doua jumătate a sezonului de incălzire prin radiație solară si precipitații mai abundente, astfel încat este necesar să se poată asigura faptul că pentru sezonul următor“acumulatorul” sol este pregătit din nou pentru incalzire. Datorita suprafețelor mari de teren necesare pentru montarea colectorilor orizontali, uneori este dificila realizarea sistemului din motive de spațiu.Pentru suprafețe de teren mici, sondele pentru sol (fig.3.5.) reprezintă o alternativă la colectorul amplasat orizontal in sol.

Acestea se pot introduce la adâncimi de 50 până la 150 m. Sondele sunt fabricate de obicei din tuburi de polietilenă și de obicei se montează patru tuburi paralele ( sonda cu tub dublu cu profil U ). Amestecul apă-agent de protecție la ingheț curge până la nivelul cel mai de jos prin două tuburi și revine la vaporizatorul pompei de căldură prin celelalte două. Astfel se preia cădura din sol, pe toata lungimea tuburilor. Spațiile dintre tuburi și sol trebuie umplute cu un material cu o conductivitate termică bună ( bentonita).

Fig. 3.5. Pompă de căldură cu sistem de sonde verticale [8]

3.2. Varianta aer – apă

Pompa de căldură aer-apă extrage, din aerul exterior, energia solară înmagazinată sub formă de căldură și o introduce în circuitul pentru încălzire(fig.3.7.). Pompa de căldură aer–apă, reprezintă un sistem relativ simplu de montat și nu necesită lucrări speciale de amenajare ca săpături sau foraje. La fel ca pompele de căldură pentru sol și apă, pot funcționa pe durata întregului an. Dezavantajul major al sistemului este faptul că nu poate funcționa monovalent la temperaturi foarte scăzute ( începând de la cca.-15ºC ). Aceste pompe pot funcționa bivalent- paralel monoenergetic prin folosirea unei rezistențe electrice care intră în funcțiune latemperaturi foarte scăzute ( sub -15º C ). Datorită acestui fapt puterea de incalzire este limitată.

Fig.3.6. Pompe de căldura sistem aer – apă cu modul exterior [9]

Cu toate că pompa de căldură aer –apă are cel mai scăzut COP dintre toate pompele de căldură la care facem referire, ea este una dintre cele mai vândute pompe de căldură din Europa,fiind extrem de utilizată atât la sistemele de preparare a apei calde menajere cât și la încălzire. Modulul de aer poate fi montat atât în interiorul, cât și în exteriorul locuinței (fig.3.7.).

3.2. Varianta apă – apă

Bibliografie

http://caloric.ro/shop/modules/blockstore/201003121159000.illu_SCHEMA_BOSCH_POMPA_DE_CALDURA.jpg fig 1.1 [1]

http://www.calorserv.ro/images/articles/generic/pompe-de-caldura-vaporizator.jpg/pompe-de-caldura-vaporizator.jpg fig 1.2 [2]

http://www.aer-conditionat-mitsubishi.ro/images/des_puhz-sw_5.gif [3]

http://www.regenerabile-viessmann.ro/content/dam/regenerabile- vieesmann/ghidul_viessmann/ghidul_viessmannpentruincalzireinteligenta-cap1.pdf [4]

http://ro.wikipedia.org/wiki/Combustibil_fosil#mediaviewer/File:Global_Carbon_Emissions.svg [5]

httpwww.ecospace.roimagessol_apa.jpg [6]

httpwww.eforajeputuriapa.rouploadsprodforaje-pompe-de-caldura_loqg.jpg [7]

httpwww.infoconstructii.comwp-contentuploads201112pic-article-90.jpg [8]

Pompe-de-caldura-Mideahttpblog.romstal.rowp-contentuploads201502Pompe-de-caldura-Midea.jpg [9]

Bălan,M , Instalații frigorifice și pompe de căldură, note de curs [10]

[1] www.wiessmann.ro/Ghidul Wiessmann pentru încălzire inteligentă

[2] Google map maker

[3] www.topanel.ro

[4] STAS 6648/2-82, Instalații de ventilare și climatizare;Parametri climatici exteriori.

[5] SR 1907-2/1997, Instalații de încălzire.Temperaturi interioare de calcul.

[6] Ungureșanu, P.,Transfer de căldură și masă, note de curs.

[7] Macovescu, S.,,Utilizarea frigului artificial, note de curs.

[8] Mreneș, M., Instalații de ventilare și climatizare, note de curs.

[9] Bălan, M., Termodinamică tehnică, note de curs.

[10] www.bgr.bund.de, Evoluția consumului de energie primară.

[11] www.ro.wikipedia.org.,Emisiile anuale de bioxid de carbon.

[12] Bălan,M.,Energii regenerabile

[13] www.secpralpro.ro.

[14] Bălan,M., Instalații frigorifice,Editura Todesco, Cluj-Napoca,2000

[15] Bălan,M , Instalații frigorifice și pompe de căldură, note de curs

[16] www.foraje puțuri apă.ro

[17]www.pompe-de-caldura.com

[18] Pleșa,A.,Ventilatoare și ventilatoare,note de curs

[19] Bălan,M.,Pleșa,A.,Instalații frigorifice.Construcție, funcționare și calcul.Ed, Todesco,Cluj-Napoca 2000

[20] Pleșa,A.,Utilaje termice, note curs

[21] Pleșa,A., Grieb,C.F., Nagi, M.,Utilaje Termice.Schimbătoare de căldură plăci.Ed.Mediamira

[22] www.termomag.ro/matrixclima…italia/67

[23] www.termo.utcluj.ro/mec/instruire