Utilizarea Energiei Geotermale Pentru Alimentarea cu Caldura a Unor Consumatori
[NUME_REDACTAT] M., Utilizarea energiei termice, note de curs, 2013-2014
Matei M., Managementul energiei, note de curs, 2013-2014
Matei M., Impactul energiei asupra mediului, note de curs, 2013-2014
Gavriliuc R., Pompe de căldură de la teorie la practică, 1999
SR 1907/1997 , Instalații de încălzire
[NUME_REDACTAT] în pardoseală, [NUME_REDACTAT] 2009/28/CE
Strategia energetică a României pentru 2007-2020
http://www.termo.utcluj.ro/confstud07/lucrari/corbureanu.doc
http://www.rasfoiesc.com/inginerie/constructii/instalatii/INSTALATII-DE-INCALZIRE82.php
http://www.creeaza.com/tehnologie/constructii/Pompe-de-caldura419.php
http://www.scrigroup.com/casa-masina/instalatii/Siteme-de-cogenerare-apa-calda55938.php
http://www.engineering.upm.ro/master-ie/mse/mat_did/elen094/curs/5.%20BILANTCladiri/CAPITOLUL%20VIII.doc
http://archive-ro.com/ro/t/termice.ro/2013-05-11_2062814_9/Pompe_de_caldura_Intrebuintare_Termice_ro/
http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/pompa-de-caldura-apa-apa/
http://gelunechifor.blogspot.com/2011/02/pompe-de-caldura-principii-generale.html
http://cartiere.ro/148081-pompe-de-calduraprincipii-generale
http://forum.softpedia.com/topic/224136-pompe-de-caldura/page__st__936
http://gelunechifor.blogspot.com/2011_02_01_archive.html
http://www.tehnicainstalatiilor.ro/articole/nr_07/nr07_art.asp?artnr=16
http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/pompa-de-caldura-sol-apa/
http://www.centraletermice.com.ro/pompe_caldura_viessmann.html
Pompe de caldura sol-apa, pompa de caldura cu sonde verticale
http://www.ecocaldura.ro/tipuri-pompe-de-caldura/tipuri-de-pompe-de-caldura-1/
http://www.einstalatii.ro/product_info.php?products_id=572&osCsid=27524388bd9ee099b9b4a3683284a0b4
http://www.rasfoiesc.com/inginerie/constructii/instalatii/PROIECT-INSTALATII-DE-INCALZIR91.php
CUPRINS
Capitolul 1. Energia geotermală
1.1. Particularități ale energiei geotermale
1.2. Energia geotermală de potențial termic ridicat
1.3. Energia geotermală de potențial termic scăzut
1.4. Tipuri de surse geotermale (Sisteme geotermale)
1.4.1. Surse hidrotermale
1.4.2. Surse sub presiune
1.4.3. Roci fierbinți
1.4.4. Magma
1.5.Utilizarea energiei geotermale
1.6. Exploatarea resurselor geotermale în [NUME_REDACTAT] 2. Pompe de căldură
2.1. Generalități.
2.2. Rolul pompelor de căldură
Principiul de funcționare al unei pompe de căldură
2.3. Regimuri de funcționare a pompelor de căldură
2.4.Clasificarea pompelor de căldură
Capitolul 3. Eficiența termică a pompelor de căldură. Principii de dimensionare
3.1. Eficiența termică a pompelor de căldură
3.2. Principii de dimensionare
3.2.1. Determinarea estimativă a necesarului de căldură
3.2.2. Calculul necesarului real de căldură. Calculul pierderilor de căldură prin
elementele construcției.
3.2.3. Detereminarea necesarului total de căldură
3.3. Teoria PDC. Coeficientul de performanță (COP)
Capitolul 4. Pompe de căldură pentru utilizări casnice
4.1. Pompa de căldură aer – apă
4.2. Pompa de căldură apă – apă
4.3. Pompa de căldură sol – apă
4.3.1. PDC sol – apă cu colectori orizontali
4.3.2. PDC sol-apă cu sonde
4.4. Încălzirea prin pardoseală
4.5. Prepararea apei calde menajere.
Capitolul 5. Stadiul actual privind utilizarea pompelor de căldură
5.1. Domenii de utilizare a PDC. Statistici
5.2. Mari producători de pompe de căldură
Capitolul 6. Studiul de caz privind utilizarea energiei geotermale in cascada
6.1. Prezentare generală
6.2. Utilizarea energiei geotermale în perioada de iarnă
6.2.1. Încălzirea unui cartier rezidențial
6.2.2. Alimentare cu apă caldă de consum
6.2.3. Încălzirea unei sere
6.3. Utilizarea energiei geotermale în perioada de vară
Capitolul 7. Studiu de caz privind utilizarea unei pompe de căldură pentru alimentarea unui consumator rezidențial.
7.1. Prezentarea imobilului și descrierea amplasamentului
7.2 Calculul rezistențelor termice ale elementelor de construcție
7.3. Calculul coeficientului global de izolare termică „G”
7.4. Necesarul de căldură pentru încălzire
7.5. Proiectarea sistemului de încălzire prin pardoseală
7.6. Alegerea PDC sol – apă funcție de puterea de încălzire necesară totală
Capitolul 8. Analiza tehnico-economică a utilizării pompelor de căldură
Capitolul 9. [NUME_REDACTAT]
Utilizarea energiei geotermale pentru alimentarea cu căldură a unor consumatori
Lucrare de [NUME_REDACTAT] energiei geotermale pentru alimentarea cu căldură a unor consumatori
[NUME_REDACTAT] baza elaborării acestui proiect au stat creșterea eficienței energetice și promovarea producerii de energie termică utilizând surse regenerabile de energie. Lucrarea abordeaza aspecte legate de utilizarea energiei geotermale pentru alimentarea cu caldura a unor consumatori; de asemenea prezintă caracteristicile pompelor de căldură și face o descriere a sistemelor care utilizeaza pompe de căldură, implementarea unor astfel de sisteme fiind o soluție economico-financiară, care în viitor va fi aplicată tot mai des.
Lucrarea prezintă doua studii de caz. Primul vizeaza o analiza privind utilizarea energiei extrasă de la o sondă cu debitul de 90 m3 / h, (25 l/s) și o temperatură de 85 0C pentru folosirea în cascadă a energiei apei geotermale in timpul iernii si in timpul verii. Al doilea studiu de caz se refera la utilizarea energiei geotermale de potential scazut prin implementarea unei instalații de încălzire în pardoseală și prepararea apei calde menajere pentru o locuință unuifamilială, efectuând în același timp o comparație din punct de vedere al consumului anual de energie și al costurilor între sistemele clasice de încălzire și sistemul care utilizează pompele de căldură.
Cuvinte cheie: energie geotermala, surse regenerabile de energie, pompe de căldură, mediu
Listă figuri
Figura 1. Distribuția teritorială a energiilor regenerabile. 10
Figura 2. Schema energetică a pompei de căldură 25
Figura 3. Funcționarea pompei de căldură 26
Figura 4. Distribuția radiației solare 28
Figura 5.Variația temperaturii surselor naturale pe parcursul întregului an 28
Figura 6 . Eficiența termică funcție de tipul pompei 31
Figura 7.Variația necesarului de căldură în funcție de tipul casei 34
Figura 8.Variația COP funcție de T 36
Figura 9.PDC aer – apă 39
Figura 10. Schema de funcționare a unui PDC aer – apă reală 40
Figura 11.PDC aer-apă cu modulul de aer în interior 40
Figura 12.PDC aer-apă cu modulul de aer în exterior 41
Figura 13.PDC apă – apă 43
Figura 14.Structura temperaturilor spre [NUME_REDACTAT] 44
Figura 15.Schema geotermală de putere nazată pe conceptual ”Rocă uscată fierbinte” 45
Figura 16.Variația temperaturii în funcție de adâncime și anotimp 46
Figura 17.PDC sol-apă cu colectori orizontali 47
Figura 18.Așezarea colectorilor orizontali 47
Figura 19.PDC sol-apă cu sonde 49
Figura 20.Sonda 49
Figura 21.Încălzirea prin pardoseală 51
Figura 22.Rezervor acumulator 52
Figura 23.Statistica utilizării energiei în Elveția 53
Figura 24.Consumul de energie la nivelul unei familii 54
Figura 25.Emisiile de CO2 54
Figura 26.Statistică realizată de [NUME_REDACTAT] Germană a Constructorilor de PDC 55
Figura 27.Statistică realizată pe piața elvețiană a PDC 56
Figura 28.Suprafață imobil 65
Figura 29.Diagrama 1 73
Figura 30. Diagrama 2 74
Figura 31. Diagrama 3 75
Figura 32. Diagrama 4 76
Figura 33. Diagrama 5 77
Figura 34. Diagrama 6 78
Figura 35. Diagrama 7 78
Figura 36.Domeniul de rentabilitate pentru diverse sisteme de încălzire 86
Figura 37.Influența coeficientului de performanță al pompei de căldură asupra rentabilității 87
Listă tabele
Tabel 1.Posibilități de utilizare a surselor geotermale 19
Tabel 2. Necesarul de căldură 34
Tabel 3. Perete exterior AMVIC 66
Tabel 4.Acoperiș 67
Tabel 5. Placa peste parter 67
Tabel 6. Planșeu peste parter 67
Tabel 7. Valorile puterilor de extracție pentru sol la o distanță de amplasare de cca 0,5 până la 0,7 m 84
Tabel 8. Pompa de căldură – Eficiență termică 88
Abrevieri
SRE Surse regenerabile de energie
AIE [NUME_REDACTAT] de Energie
COP Coeficient de performanță
PDC Pompă de căldură
CUPRINS
Capitolul 1. Energia geotermală
1.1. Particularități ale energiei geotermale
1.2. Energia geotermală de potențial termic ridicat
1.3. Energia geotermală de potențial termic scăzut
1.4. Tipuri de surse geotermale (Sisteme geotermale)
1.4.1. Surse hidrotermale
1.4.2. Surse sub presiune
1.4.3. Roci fierbinți
1.4.4. Magma
1.5.Utilizarea energiei geotermale
1.6. Exploatarea resurselor geotermale în [NUME_REDACTAT] 2. Pompe de căldură
2.1. Generalități.
2.2. Rolul pompelor de căldură
Principiul de funcționare al unei pompe de căldură
2.3. Regimuri de funcționare a pompelor de căldură
2.4.Clasificarea pompelor de căldură
Capitolul 3. Eficiența termică a pompelor de căldură. Principii de dimensionare
3.1. Eficiența termică a pompelor de căldură
3.2. Principii de dimensionare
3.2.1. Determinarea estimativă a necesarului de căldură
3.2.2. Calculul necesarului real de căldură. Calculul pierderilor de căldură prin
elementele construcției.
3.2.3. Detereminarea necesarului total de căldură
3.3. Teoria PDC. Coeficientul de performanță (COP)
Capitolul 4. Pompe de căldură pentru utilizări casnice
4.1. Pompa de căldură aer – apă
4.2. Pompa de căldură apă – apă
4.3. Pompa de căldură sol – apă
4.3.1. PDC sol – apă cu colectori orizontali
4.3.2. PDC sol-apă cu sonde
4.4. Încălzirea prin pardoseală
4.5. Prepararea apei calde menajere.
Capitolul 5. Stadiul actual privind utilizarea pompelor de căldură
5.1. Domenii de utilizare a PDC. Statistici
5.2. Mari producători de pompe de căldură
Capitolul 6. Studiul de caz privind utilizarea energiei geotermale in cascada
6.1. Prezentare generală
6.2. Utilizarea energiei geotermale în perioada de iarnă
6.2.1. Încălzirea unui cartier rezidențial
6.2.2. Alimentare cu apă caldă de consum
6.2.3. Încălzirea unei sere
6.3. Utilizarea energiei geotermale în perioada de vară
Capitolul 7. Studiu de caz privind utilizarea unei pompe de căldură pentru alimentarea unui consumator rezidențial.
7.1. Prezentarea imobilului și descrierea amplasamentului
7.2 Calculul rezistențelor termice ale elementelor de construcție
7.3. Calculul coeficientului global de izolare termică „G”
7.4. Necesarul de căldură pentru încălzire
7.5. Proiectarea sistemului de încălzire prin pardoseală
7.6. Alegerea PDC sol – apă funcție de puterea de încălzire necesară totală
Capitolul 8. Analiza tehnico-economică a utilizării pompelor de căldură
Capitolul 9. [NUME_REDACTAT]
[NUME_REDACTAT] accelerate de industrializare și de urbanizare care au cuprins, în ultimele decenii întreaga lume, au condus inevitabil la o crestere accelerată a consumului de energie. Ca și mari consumatoare de energie putem enumera următoarele activităi:
Instalații si forță în industrie 30-40%
Transporturi 20-25%
Utilități menajere 15-20%
Încălzirea clădirilor 15-18%
Criza mondială de energie care vizează în primul rând resursele energetic clasice a impus găsirea mijloacelor celor mai convenabile de exploatare si de valorificare competitivă a resurselor, în specialneconvenționale.
Resursele neconvenționale cu o potențialitate energetică remarcabilă sunt: energia pecial, energia solară, energia eoliană, energia hidraulică si mareică, si energia geotermală.
Pământul este un rezervor imens de energie sub formă de căldură. Partea cea mai mare din această energie se află la adâncimi prea mari în interiorul planetei si se răspândeste prea difuz în părțile ei superioare, unde când ajunge este complect mascată de energia pecial a radiației solare. Toate miscările din interiorul globului sunt raportate la evenimente termice.
[NUME_REDACTAT] recunoaste necesitatea promovării surselor regenerabile de energie (SRE) ca o măsură prioritară, dată fiind contribuția exploatării acestora la protecția mediului si dezvoltarea durabilă. Utilizarea ridicată a SRE reprezintă o parte importantă a Protocolului de la Kyoto asupra schimbărilor climatice, valabil până în 2012. La 10 ianuarie 2007, [NUME_REDACTAT] a adoptat un pachet integrat de măsuri, în domeniul energiei si al schimbărilor special, invitând Consiliul si [NUME_REDACTAT] să aprobe un angajament independent al UE de a reduce cu cel puțin 20% emisiile de gaze cu de seră până în anul 2020, precum și obiectivul de a obține 20% din totalul energiei din surse regenerabile, până în 2020.
În condițiile concrete din , se iau în considerare următoarele tipuri de surse regenerabile de energie:
energia solară – utilizată la producerea de căldură prin metode de conversie
pasivă sau activă sau la furnizarea de energie electric prin sisteme fotovoltaice;
energia eoliană – utilizată la producerea de energie electrică cu grupuri
aerogeneratoare;
hidroenergia – centrsle hidroelectrice cu o putere instalată mai mică sau egală cu
10 MW (“hidroenergia mică”), respective centrale hidro cu o putere instalată mai mare de
10 MW (“hidroenergia mare”);
biomasa – provine din reziduri de la exploatări forestiere si agricole, deseuri din
prelucrarea lemnului si alte produse; biogazul este rezultatul fermentării în regim anaerob a dejecțiilor animaliere sau de la stațiile de epurare orăsenesti;
energia geotermală – energia înmagazinată în depozite si zăcăminte
hidrogeotermale subterane, exploatabilă cu tehnologii speciale de foraj si extracție.
Figura 1. Distribuția teritorială a energiilor regenerabile.
I – [NUME_REDACTAT] (energie solară);
II – Dobrogea (energie solară, energie eoliană);
III – (câmpie si platou: micro-hidro, energie eoliană, biomasă);
IV – Carpații (IV1 – Carpații de Est; IV2 – Carpații de Sud; IV3 – Carpații de Vest,
potențial ridicat in biomasă, micro-hidro si eoliana);
V – [NUME_REDACTAT] (potențial ridicat pentru micro-hidro si biomasa);
VI – Câmpia de Vest (potențial ridicat pentru energie geotermică si eoliana);
VII – Subcarpații (VII1 – Subcarpații getici; VII2 – Subcarpații de curbură; VII3 –
[NUME_REDACTAT] (potențial ridicat pentru biomasă, micro-hidro);
VIII – Câmpia de Sud (biomasă, energie geotermică, energie solară)
(sursa: AIE).
Distribuția procentuală a energiilor regenerabile (estimare pentru anul 2010):
65% biomasă
17% energie eoliană
13% energie solară
4% microhidrocentrale
1% energia geotermală
Capitolul 1. Energia geotermală
Particularități ale energiei geotermale
În figura 1.1 sunt prezentate principalele zone din care este alcătuit interiorul Pământului.
Fig. 1.1. Principalele zone din care este alcătuit [NUME_REDACTAT] zonele prezentate sunt divizate la rândul lor în mai multe subzone. Cele patru zone principale sunt în ordine, dinspre suprafața Pământului spre centrul acestuia, cu dimensiunile aproximative:
Scoarța: 0… 100 km;
Mantaua 100… 3000 km;
Nucleul extern 3000… 5000 km;
Nucleul intern 5000… 6378 km.
[NUME_REDACTAT] crește dinspre suprafață spre centru, unde atinge o valoare de circa 6 000 °C, care însă nu a fost încă precis determinată de oamenii de știință. În figura 1.2 este prezentată variația aproximativă a temperaturii în interiorul Pământului, iar figura 1.3 prezintă o imagine sugestivă a temperaturii principalelor zone din interiorului Pământului.
Fig. 1.2. Variația temperaturii dinspre scoarță spre centrul [NUME_REDACTAT]. 1.3. Variația temperaturii în zonele din interiorul [NUME_REDACTAT] punct de vedere al potențialului termic, energia geotermală poate fi clasificată în două categorii:
Energie geotermală de potențial termic ridicat;
Energie geotermală de potențial termic scăzut.
1.2. Energia geotermală de potențial termic ridicat
Acest tip de energie geotermală este caracterizată prin nivelul ridicat al temperaturilor la care este disponibilă și poate fi transformată direct în energie electrică sau termică. În figura 1.4 este prezentată o schemă de principiu a unei centrale electrice geotermale, iar în figura 1.5 este prezentată o asemenea centrală electrică geotermală.
Fig. 1.4. Părțile componente ale unei centrale electrice geotermale
1 – foraj pt. injecția apei și pompe de injecție; 2 – zona de joncțiune între foraje;
3 – foraje de producție; 4 – schimbător de căldură; 5 – turbinele și generatoarele electrice; 6 – sistem de răcire; 7 – stocare energie de potențial termic ridicat în sol;
8 – sistem de monitorizare seismică; 9 – consumatori electrici
Fig. 1.5. Centrală electrică geotermală din , [NUME_REDACTAT] electrică se obține în prezent din energie geotermală, în centrale având puteri electrice de 20…50MW, care sunt instalate în țări ca: Filipine, , Islanda, SUA, Rusia, etc.
Din categoria surselor de energie geotermale de potențial termic ridicat, fac parte și gheizerele cu apă fierbinte sau abur, de tipul celor prezentate în figura 1.6.
Fig. 1.6. [NUME_REDACTAT] conținută de asemenea gheizere, ca și de apele geotermale, poate fi captată și utilizată cu ajutorul unor schimbătoare de căldură, cel mai adesea cu plăci.
1.3. Energia geotermală de potențial termic scăzut
Acest tip de energie geotermală poate fi caracterizat prin nivelul relativ scăzut al temperaturilor la care este disponibilă și poate fi utilizată numai pentru încălzire, fiind imposibilă conversia acesteia în energie electrică.
Energia geotermală de acest tip, este disponibilă chiar la suprafața scoarței terestre, fiind mult mai ușor de exploatat decât energia geotermală de potențial termic ridicat, ceea ce reprezintă un avantaj.
În figura 1.7 se observă că începând de la adâncimi foarte reduse, temperatura solului poate fi considerată relativ constantă pe durata întregului an:
Fig. 1.7. Variația temperaturii în sol, în zona de la suprafața scoarței terestre
Exploatarea energiei geotermale de potențial termic scăzut necesită echipamente special concepute pentru ridicarea temperaturii până la un nivel care să permită încălzirea și/sau prepararea apei calde. Acestea se numesc pompe de căldură și au același principiu de funcționare ca al mașinilor frigorifice, funcționând cu energie electrică.
1.4. Tipuri de surse geotermale (Sisteme geotermale)
Se disting patru categorii de surse geotermale:
1.4.1. Surse hidrotermale
Aceste surse se bazează pe circulația apelor meteorice (de suprafață) care se infiltrează în scoarța Pământului până la adâncimi cuprinse în intervalul 100 m – 4,5 km (vezi Fig.1.8). Circulația este asigurată în mod natural pe baza diferenței dintre densitatea apei reci, respectiv a apei fierbinți sau a vaporilor de apă.
Fig. 1.8. Secțiune simplificată printr-o sursă hidrotermală
O sursă hidrotermală necesită trei elemente principale:
sursă de căldură ;
un rezervor de apă alimentat cu apa de suprafață ;
un strat de roci impermeabile care să susțină rezervorul de apă.
În mod uzual o sursă hidrotermală este exploatată prin executarea unor foraje până la rezervorul de apă și extragerea apei fierbinți sau a vaporilor de apă. Apa din rezervor poate ajunge la suprafață și prin mijloace naturale cum ar fi izvoarele calde (fumarolele și gheizerele).
Din punct de vedere al nivelului termic se disting :
Surse hidrotermale de înaltă temperatură (temperaturi cuprinse în intervalul 180 – 350 C): încălzirea apei se datorează contactului cu roci fierbinți.
Surse hidrotermale de joasă temperatură (< 180 C): încălzirea apei se realizează prin contactul cu roci fierbinți, dar și datorită altor cauze cum ar fi fisiunea unor substanțe radioactive.
În funcție de starea de agregare a apei din rezervorul hidrotermal se întâlnesc următoarele situații:
Rezervoare în care apa se găsește predominant sub formă lichidă;
Rezervoare în care apa se găsește predominant sub formă de vapori.
Sursele hidrotermale sunt cvasi-regenerabile. O exploatare nerațională a acestora poate conduce la diminuarea potențialului rezervoarelor subterane de apă.
1.4.2. Surse sub presiune
Apa conținută în aceste rezervoare are salinitate scăzută și în compoziția sa se găsește metan dizolvat. Apa și metanul sunt ținute captive de straturi de roci impermeabile în rezervoare existente la mari adâncimi (3 – 6 km) caracterizate prin valori deosebit de ridicate ale presiunii. Temperatura apei se situează în general în intervalul 90 – 200 C.
Sursa geotermală sub presiune se caracterizează prin trei forme de energie :
Căldură ;
Energie chimică datorată gazului metan dizolvat în apă ;
Energie hidraulică (într-o mai mică măsură) datorată presiunii existente în rezervor.
Sistemele geopresurizate pot fi exploatate atât termic, cât și hidraulic. Cele mai importante surse geotermale sub presiune au fost descoperite în partea nordică a [NUME_REDACTAT].
1.4.3. Roci fierbinți
Acest tip de sursă constă din straturi de roci fierbinți existente în scoarța terestră. Spre deosebire de sursele hidotermale în acest caz nu există rezervoare subterane de apă sau posibilități de infiltrare a apelor de suprafață.
Exploatarea se realizează prin forare. În zona rocilor fierbinți, se pompează apa rece în scopul constiturii unui rezervor. Apa preia căldura de la roci și este adusă ulterior la suprafață printr-un puț de extracție.
Tinând cont de aceste aspecte, această resursă este practic nelimitată și este mai accesibilă decât resursele hidrotermale. Pănâ în prezent se menționează preocupări în acest sens în [NUME_REDACTAT] și in [NUME_REDACTAT].
1.4.4. [NUME_REDACTAT] reprezintă cea mai mare resursă geotermală, fiind formată din roci topite situate la adâncimi mai mari de 3 – 10 km. Temperatura magmei se situeză în general în intervalul 700 – 1200 C. Nu au fost realizate cercetări privind utilizarea acestei resurse, în principal și datorită accesului anevoios la adâncimile la care se găsește magma.
1.5.Utilizarea energiei geotermale
Utilizarea energiei geotermale depinde de parametrii termici ai resursei. Spre exemplu resursele cu fluide geotermale ce depășesc 150 °C pot fi utilizate la producerea de energie electrică, fiind pe deplin justificate tehnic și economic (pragul minim actual pentru producerea de energie electrică este de 97 °C). Sub această temperatură, energia geotermală este utilizată în tehnologii de prelucrare directă, majoritatea construite ca sisteme în cascadă (vezi figura 1.9.).
Fig. 1.9. Sistem cascadă ce utilizează energia geotermală
(Sursa: [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT], USA).
Cu toate că energia geotermală este prezentă pe toată suprafața scoarței terestre, utilizarea ei este posibilă doar în anumite condiții:
Din considerente economice, sursa geotermală trebuie să fie accesibilă prin foraje la adâncimi care să nu depășească în general 3 km. Doar în condiții favorabile această adâncime poate crește până la 6 – 7 km ;
Sursa geotermală trebuie să aibă un potențial suficient de ridicat (atât cantitativ cât și calitativ) pentru a rezulta o exploatare a acesteia în condiții economice avantajoase.
Distanța până la care poate fi transportată căldura prin intermediul unui agent termic (ex. apa) este limitată la valori de ordinul kilometrilor. În consecință, consumatorii sunt captivi, ei trebuind să fie amplasați în apropierea sursei geotermale.
[NUME_REDACTAT] 1 sunt prezentate posibilitățile de utilizare ale surselor geotermale, în funcție de potențialul lor termic.
Tabel 1.Posibilități de utilizare a surselor geotermale
Pe ansamblu, energia geotermală prezintă o serie de avantaje certe :
Este o sursă locală de energie primară care poate reduce importul unor combustibili fosili scumpi (gaz natural, petrol) ;
Are un impact pozitiv asupra mediului înconjurător prin înlocuirea unor combustibili fosili puternic poluanți (cărbunele) ;
Reprezintă o sursă de energie primară sigură care nu necesită instalații de stocare.
1.6. Exploatarea resurselor geotermale în [NUME_REDACTAT] România se află în prezent un parc de sonde cu un potențial de peste 320 MW numai pentru utilizări energetice (cca. 240 mii tone echivalent petrol/an), din care prin exploatarea a cca. 60 dintre ele se utilizează efectiv cca. 137 MW (peste 100 mii tep/an) la nivele de temperatură între 55 și 115 oC.
Prospecțiunile geotermice au permis realizarea unei hărți pentru România (figura 1.10 a,b), evidențiind distribuția temperaturii la adâncimi între 1 și 5 km. Se pot evidenția în special în zona de vest, arii de ape mezotermale, cu temperaturi cuprinse între 60 oC și 120 oC potrivite pentru producere de energie termică dar și suprafețe în care la adâncimea de 3 km, temperatura depășește 140 oC.
a)
b)
Fig. 1.10 Harta geotermală a României (sursa IGR 2006)
a – zone exploatabile pentru producere de energie termică;
b – zone în care se poate produce energie electrică.
Astfel de zone sunt situate în aria de dezvoltare a vulcanismului neogen – cuaternar din [NUME_REDACTAT] (Oaș – Gutâi – Țibleș și Călimani – Gurghiu – Harghita) aici fiind posibile dezvoltarea unor tehnologii de producere a energiei electrice. Și în zona de sud a țării (Călimănești – Căciulata, zona din nordul Bucureștiului și zona Brăila) există
zăcăminte de ape termale de joasă entalpie, exploatate mai mult pentru în scopuri balneare. [NUME_REDACTAT], primul foraj de specialitate a fost executat în 1982-1983, în zona [NUME_REDACTAT], studiile și analizele efectuate stabilind că apele sunt termosulfuroase, cu o temperatură de 41 oC. La nord de București se întinde un lanț de aproximativ 15 sonde cu adâncimi până la 3,3 km, cu ape asemănătoare, a căror temperatură crește pe măsura depărtării de capitală (în zona Balotești – Snagov, temperatura depășește 80 oC). În zona Brăilei se află un important zăcământ cu temperatura apei de 61º C la suprafață, zăcământ captat cu două sonde, de la 1km adâncime). O importantă pungă de ape termale, neexploatate încă, se găsește sub câmpia Olteniei.
La începutul anilor 1980 s-a dezvoltat un program de cercetări la nivel național concretizat în crearea unei miniindustrii de valorificare a energiei termale și la obținerea de economii de energie de peste 50 mii tep/an. La ora actuală, în afara unor utilizări locale, în condițiile utilizării unor tehnologii și echipamente vechi de cel puțin 20 de ani, singurele realizări notabile sunt cele ale firmei TRANSGEX – Oradea. Această firmă deține 48 de foraje în județele Bihor și [NUME_REDACTAT]. [NUME_REDACTAT] operează 11 sonde de producție care extrag apă de la adâncimi de cca. 3000 m cu temperatură de 72…105 oC și o sondă de injecție . Timp de 20…25 zile pe an, la vârf de sarcină sunt folosite și cazane pe gaz. Potențialul sursei geotermale din Oradea este de 25…30 mii tep/an la un debit de 240 l/s, încălzirea și apa caldă în oraș fiind asigurată din această sursă la un preț de 85 lei/Gcal comparativ cu prețul energiei produsă de [NUME_REDACTAT] de 140 lei/Gcal. Aceiași firmă asigură din două sonde cu debitul de 120 l/s și temperatura de 120 oC întreg consumul de energie termică în orașul Beiuș.
Capitolul 2. Pompe de căldură
2.1. Generalități.
Pompele de căldură sunt utilaje moderne care se utilizeazã în ultimul timp ca o alternativã la centralele termice pe hidrocarburi, având însă o eficientă cu 50-80% mai mare.
Pompele de căldură sunt utilaje mecanice acționate electric și oferă posibilități tehnice de economisire de energie primară (combustibil), în consecință și cu îmbunătățirea protecției mediului înconjurător, prin reducerea emisiilor de noxe (CO2,NOx).
În situația realizării de construcții moderne, cu izolație termică îmbunătățită și reducerea necesarului de căldură, utilizarea pompelor de caldurã se preteazã în mod deosebit.
O pompă de caldură preia aproximativ 75% din energia necesară pentru încălzire (climatizare) din mediul exterior iar pentru restul, utilizează energie electrică.
O pompă de căldură poate funcționa atât vara cât și iarna, ceea ce este foarte convenabil din punct de vedere al amortizării investiției.
În perioada de iarnă căldura poate fi captată din mediul înconjurator prin serpentine plasate în aer, sol sau apă (ape freatice, ape curgătoare sau lacuri), din pompa de căldură rezultând apă cu temperatura maximă de 45-50°C care servește la incălzirea clădirilor.
Pe timp de vară căldura preluată din încăperi este evacuată în mediu, realizându-se climatizarea prin instalațiile interioare aceleași ca pentru încălzire (ventiloconvectoare) prin care se vehiculeazã un agent la temperatura de min. 7°C.
Coeficientul de performantã uzual al pompelor de căldurã este 3-4, ceea ce înseamnă că la fiecare unitate de energie electricã introdusă în sistem obtinem 3-4 unităti de energie termică, diferenta de 2-3 unitãti provenind din mediul înconjurãtor.
Coeficientul de performantã este mai mare în perioada de încălzire (iarna).
Totodata, coeficientul de performantă al pompelor de căldură cu sursa de preluare și evacuare a căldurii apa, este superior celorlalte douã.
Avantaje :
Economii mari realizate fată de orice alt sistem clasic;
Reduc cu 50 – 80% costurile la încălzire și răcire;
Protejarea resurselor naturale și a mediului (nu poluează);
Echipamente silențioase;
Nu este necesară utilizarea coșurilor de fum;
Nu folosesc flacăra deschisã neexistând pericol de explozie;
Folosesc agenți frigorifici ecologici;
Nu necesită personal de exploatare, functionând complet automatizat;
Fiabilitate ridicatã;
Perioada de functionare este de 25 ani.
2.2. Rolul pompelor de căldură
Dintre diferitele forme de energie utilizate, în actuala etapă de dezvoltare a tehnicii, energia termică are ponderea cea mare în balanța energetică a unei tari. Datorită acestui fapt, se depun eforturi susținute pentru găsirea căilor optime de folosire a energiei termice, cu scopul economisirii resurselor energetice primare de combustibili.
Crizele petroliere din anii 1973 și 1979, împreună cu discuțiile asupra energiei pe care le-
au generat, au determinat o puternică conștientizare a problemelor legate de producerea și utilizarea energiei. Câteva dintre acestea sunt:
creșterea permanentă la nivel mondial al consumului de combustibili
puternica dependență a unor state (în special a celor puternic dezvoltate ) de importul de energie
poluarea mediului ambiant datorită emisiilor de substanțe nocive precum și prin caldura degajată
Se apreciază că de la începutul erei noastre pâna în 1990 s-a consumat o cantitate totală de
energie echivalentă cu 420 miliarde tone combustibil convențional. Aceeași cantitate va fi consumată pe perioada 1990-2018, și mai târziu în intervale din ce în ce mai scurte. Această creștere a consumului mondial de energie – chiar și în condițiile scăderii consumului pe cap de
locuitor, se datorează în primul rând puternicii creșteri demografice din țările în curs de dezvoltare.
În anumite cazuri, de exemplu în scopuri de confort sau în anumite procese tehnologice
energia termică trebuie să aibă un potențial termic redus, corespunzator unor temperaturi care
nu depășesc 100…150ºC.
Prin arderea combustibilor clasici,chiar și ai celor inferiori energia termică se obține la un potențial termic ridicat corespunzând unor temperatui de 1500…2000 ºC. La acest nivel, energia căldurii – partea maxima care poate fi transformată în lucru mecanic – are valori însemnate, iar utilizarea în scopuri cum ar fi încalzirea apei într-un cazan de apă fierbinte duce la pierderi energetice însemnate și reducerea eficienței instalației.
În aceste conditii soluția rațională constă în principiu din valorificarea imenselor cantitați de caldură care pot fi preluate de la mediul ambiant. O astfel de soluție este utilizarea pompelor de căldură pentru încalzire și prepararea apei calde menajere. Pompele de căldură oferă posibilitați tehnice efective pentru economisirea de energie și reducerea emisiilor de CO2 .
Figura 2. Schema energetică a pompei de căldură
Pompele de căldură oferă premisele tehnologice necesare pentru a folosii eficient energia
solară înmagazinată în apă, sol și aer sub formă de caldură ecologica. Ele obțin aproximativ trei sferturi din energia necesară pentru încalzire din mediul înconjurator, iar pentru restul utilizeaza ca enegie de acționare curentul electric, după cum reiese din figura 2.
Utilizarea pe scară largă a surselor regenerative de energie este împiedicată datorită ne-economicității acestora sau a suprafețelor mari necesare. Variațiile zilnice sau sezoniere la nivelul sursei de energie reprezintă o piedica suplimentară.
Pompele de căldură – ca sisteme de conversie a energiei – sunt mașini termice care pot ridica calitatea căldurii da la un nivel scazut de temperatură până la un nivel ridicat de temperatură. Ele pot furniza în mod obișnuit căldura până la temperaturi de 120 ºC.
Deși majoritatea pompelor de căldură sunt acționate de energie electrică, mărindu-se în acest fel consumul de electricitate, tot se va reduce consumul total de combustibili fosili atunci când sunt înlocuite sistemele convenționale de încălzire. Modul în care pompele de căldură vor reduce emisiile poluante depinde de tehnologia pe care o înlocuiesc aceste pompe și de sursa de enrgie de acționare.
Chiar și atunci când energia electrică este produsă din combustibili fosili pompele de căldura pot reduce emisiile de dioxid de carbon cu 30 pâna la 50% în comparație cu cazanele clasice. Reducerea se datorează faptului că este nevoie de o energie mult mai mică de acționare.
[NUME_REDACTAT], pompa de căldură acopera deja 40% din noua piață de desfacere având ca obiectiv atingerea unui procent de 50% pâna în 2010. Suedia, deja echipată cu pompe de căldură are ca obiectiv dublarea numărului de pompe de căldură instalate ajungând la un număr de 620.000 până în 2010.
Principiul de funcționare al unei pompe de căldură
Modul de funcționare al pompei de căldură se vede și din figura 3.
Figura 3. Funcționarea pompei de căldură
2.3. Regimuri de funcționare a pompelor de căldură
Regimul de funcționare a pompelor de căldură, trebuie adaptat la tipul sistemului de încălzire al obiectivului pe care îl deservesc, dacă acesta este deja realizat, iar pompele de căldură înlocuiesc echipamente existente funcționând cu combustibili clasici. În aceste situații, o restricție importantă este reprezentată de faptul că temperatura maximă pe care o pot realiza pe tur pompele de căldură este de 55°C, iar peste această temperatură pompele de căldură pot funcționa doar în cuplaj cu alte surse de încălzire.
În clădirile noi, sistemul de încălzire va fi special proiectat pentru aceste echipamente și va ficaracterizat prin nivelul redus al temperaturii agentului de încălzire. În cazul încălzirii prin pardoseală și/sau pereții laterali, temperatura agentului de încălzire, poate coborî până la valori de circa 35 °C pe tur, sau chiar sub această valoare.
Din punct de vedere al soluțiilor tehnice utilizate pentru încălzire și preparare a apei calde menajere, există mai multe regimuri posibile de funcționare a pompelor de căldură:
Regim de funcționare monovalent – pompa de căldură este unica sursă de căldură;
Regim de funcționare bivalent – pompa de căldură este utilizată în combinație cu o altă sursă de căldură care funcționează cu combustibil solid, lichid sau gazos, echipamente de captare a energiei solare, etc;
Regim de funcționare monoenergetic – pompa de căldură este utiliztă în combinație cu un alt sistem de încălzire care funcționează tot cu energie electrică.
Cea mai întâlnită situație de acest tip, este cea în care apa caldă menajeră este doar preîncălzită în pompa de căldură, fiind utilizat și un alt dispozitiv de încălzire a apei, fie un încălzitor electric instant, fie o rezistență electrică montată în boilerul pentru prepararea apei calde menajere.
În cazul utilizării pompelor de căldură în regim monovalent sau monoenergetic, un interes deosebit este prezentat de utilizarea sistemului de tarifare diferențiată a energiei electrice pe timp de zi și de noapte, sistem care în România este disponibil la cerere și care poate reduce semnificativ valoarea facturilor de energie electrică.
Ca agent de lucru (agent frigorific) se iau substanțe care se vaporizează la temperaturi joase și totodata posedă o temperatură interioară ridicată.
În mileniul de curând început se folosesc numai agenți de lucru fără clor. Aceștia nu au reacții dăunătoare stratului de ozon.
R134a, R407C și propanul îndeplinesc aceste condiții. OCHSNER folosește la instalațiile de serie agenții R134a si R407C. Acești ageți de lucru de siguranță sunt neinflamabili și netoxici. Uleiul esteric folosit la acești agenți sunt biodegradabili și astfel instalațiile se pot monta în orice încăpere.
2.4.Clasificarea pompelor de căldură
După puterea instalată pompele de căldură pot fi:
instalații mici: folosite pentru prepararea apei calde sunt realizate în combinație cu frigiderele având o putere de până la 1 KW.
instalații mijlocii: destinate în principal pentru climatizare și încălzire pe întreaga durată a anului în locuințe relativ mici și birouri. Puterea necesară acționării este cuprinsă între 2 până la 20 KW iar puterea termică poate ajunge până la 100 KW.
instalații mari: pentru condiționare și alimentare cu căldură. Aceste instalații sunt cuplate de regulă cu instalații de ventilare, de multe ori având și sarcină frigorifică servind la răcirea unor spații de depozitare sau servind patinoare artificiale. Puterea de acționare este cuprinsă între câtiva zeci și sute de KW iar puterea termică depasește în general 1000 KW.
instalații foarte mari: folosite în industria chimică, farmaceutică pentru instalații de vaporizare, concentrare, distilare. Puterea termică depasește câteva mii de KW și din această cauză sunt acționate numai de compresoare.
Pompele de căldură obțin aproximativ trei sferturi din energia necesară pentru încălzire din energia solară acumulată în mediul ambiant iar pentru restul folosesc energia electrică. Energia solară este ecologică și regenerativă.
În figura 4 se prezintă distribuția radiației solare la nivelul atmosferei și solului
Figura 4. Distribuția radiației solare
Temperatura surselor naturale ca aerul, solul, apele freatice și de suprafață variază în concordanță cu variația anuală a temperaturii cu o atenuare și o defazare în timp mai mare sau mai mică. Aceasta înseamnă că tocmai atunci când necesarul de căldură este maxim avem cel mai mic disponibil de căldură de la sursele naturale.
În figura 5 este prezentată variația medie a temperaturii pentru sol, aer si apă freatică pe
parcursul întregului an.
Figura 5.Variația temperaturii surselor naturale pe parcursul întregului an
Se observă că apa freatică are temperatura cea mai constanta pe parcursul întregului an. Solul prezintă o variație mai mare de temperatură față de apa freatică. Aerul prezintă cele mai mari variații de temperatură pe parcursul întregului an, de aceea nu este recomandat pentru încalzirea cladirilor.
Aerul ambient și cel evacuat din sistemele de climatizare, solul și apa freatică sunt surse de căldură pentru pompele de căldură de puteri mici, în timp ce apa de mare, lac sau râu, rocile, apa goetermală și apa tehnologică sunt utilizate pentru pompe de căldură de puteri mari.
Aerul ambient este gratis și disponibil peste tot, reprezentând cea mai obișnuită sursă de căldură pentru pompele de căldură. Acele pompe de caldura care utilizeaza aerul drept sursa de căldură ating însă coeficienți de performanță sezonieri cu 10-30% mai reduși decât în cazul utilizarii apei ca sursă de căldură. Aceasta se datorează în special scăderii rapide a randamentului și puterii odată cu scăderea temperaturii exterioare, a diferenței relativ mari de temperatura din vaporizator și a energiei suplimentare necesare pentru degivrare și pentru funcționarea ventilatoarelor.
În condiții climatice blânde și umede, pe suprafața vaporizatorului se acumulează gheața, ceea ce duce la scaderea puterii și a randamentului pompei de căldură. Degivrarea bateriilor se realizeaza prin inversarea ciclului funcțional al pompei de căldură sau prin intrarea în funcțiune a unei rezistențe electrice. În acest mod crește consumul de energie, iar COP-ul total al pompei de căldură va scadea odată cu creșterea frecvenței degivrărilor. Eficienta totală poate fi mărită prin controlul frecvenței cu care se face degivrarea mai degrabă decât prin controlul timpului de funcționare.
Utilizarea aerului drept sursă de căldură se recomandă în special în cazul clădirilor
existente, unde pompele de căldură aer-apă sau aer-aer își pot aduce contribuția la încălzire prin funcționarea în sistem bivalent, completând deci încălzirea clasică bazată pe arderea unui combustibil.
Puterea termică a agregatelor de pompă de căldură funcționând cu aer ca sursă de căldură este stabilită de către constructorul acestora încă din fabrică. Pompele de caldură aer-apă pot funcționa pe perioada întregului an, întocmai ca și pompele de căldură ce extrag căldura din sol sau din apa freatică.
Trebuie însă observat faptul că puterea termică de încălzire a unei astfel de pompe de
căldură variază foarte mult în funcție de temperatura aerului. Astfel, la începutul și sfârșitul perioadei de încălzire (toamna și primavara), puterea termică de încălzire este mult mai mare decât în cea mai rece zi a anului și simtitor mai mare decât necesarul de căldură al clădirii (dacă pompa de căldură a fost gândită să funcționeze în regim monovalent).
Capitolul 3. Eficiența termică a pompelor de căldură. Principii de dimensionare
3.1. Eficiența termică a pompelor de căldură
Cu o pompă de căldură se poate mări, prin alimentarea cu energie mecanică temperatura surselor de căldură neutilizabile ca de exemplu aerul, apa freatică sau solul. Pentru a obține un indice de putere momentan ridicat se tinde să se ajungă la puterea minimă pe tur de 35ºC, la încălzirea prin pardoseală .
Cantitatea mai mare de căldură, cea cu care, de exemplu se alimentează o instalație de încălzire nu provine de la energia de acționare a compresorului, ci este în principal energie solară care se acumulează pe cale naturală în sol, aer sau apă.
Această cantitate poate fi în funcție de tipul acumulatorului de căldură, mai ales de nivelul de temperatură, de trei până la cinci ori mai mare decât energia cu care se alimentreză compresorul.
Raportul dintre energia termică utilizată și energia electrică de acționare a compresorului se numește eficienta termică instantanee µ.
µ = Q/P
unde:
Q este puterea termică cedată de către pompa de căldură la un moment dat în KW
P este puterea electrică cu care se alimentează pompa de căldură la un moment dat în KW.
Cu cât diferența de temperatură dintre sursa de căldură și instalația de utilizat căldura este mai mică cu atât mai mare (mai bun) este indicele de putere.
Eficiența termică medie anuală ß a instalației cu pompe de căldură se calculează ca raport dintre căldura cedată pe timp de un an de către instalația de pompe de căldură și puterea electrică absorbită de către instalația de pompe de căldură pe timp de un an.
ß = QWpW
unde:
Q Wp este cantitatea de căldură descărcată de către instalație pe parcursul unui an în KWh
W este energia electrică cu care se alimentează instalația pe timp de un an în KWh
Figura 6 . Eficiența termică funcție de tipul pompei
Pompa aer-sol datorită eficienței termice scăzute nu este recomandată deoarece duce la prețuri de exploatare ridicate.
Din punct de vedera al eficienței termice cea mai bună soluție este varianta apă-apă, dar această variantă presupune existența unei pânze de apă freatice cu un debit ridicat, vaporizatoarele să fie din oțel inoxidabil. În plus utilizarea apei freatice trebuie aprobată de Serviciul de Gospodărire al Apelor.
Varianta sol-apă cu colectori orizontali necesită o suprafata mare a colectorului și are și o eficiență termică mai scăzută.
Varianta sol-apă cu sonde este cea mai recomandată variantă deoarece are o eficiență ridicată (apropiată de eficiența variantei apă-apă), nu necesită o suprafata mare de teren și are cea mai bună fiabilitate.
3.2. Principii de dimensionare
Pentru instalațiile noi de pompe de căldură este foarte important să se calculeze foarte exact sarcina termică pentru încălzire a clădirii în conformitate cu normele tehnice în vigoare.
Pompele de căldură monovalente trebuie astfel dimensionate încât să fie capabile să acopere întreaga sarcină termică pentru încălzire a clădirii chiar și în cea mai rece zi de iarnă. În calculul puterii de încălzire necesare trebuie să se ia în considerare adaosurile suplimentare necesare pentru ventilare-aerisire și pentru prepararea apei calde menajere.
Stabilirea necesarului de încălzire se va face în conformitate cu sistemul folosit în acest moment în tările vest europene. Calculul sarcinii termice necesare se va raporta la metrul pătrat de suprafață luându-se în calcul înălțimea maximă a încăperii H=3m (înalțime tipică majorității încăperilor). În cazuri atipice se vor face corecțiile necesare.
La calculul necesarului termic se va folosi marimea W/mp. De exemplu dacă o clădire are un necesar termic de 50 W/mp și o suprafață locuibilă necesară a fi încălzită de 250 mp
(H = 3 m), puterea termică a centrarlei termice (indifferent de tipul ei) va fi de 250 mp x 50 W/mp = 12 500 W = 12,5 kW. Înălțimea se specific doar în cazurile atipice.
3.2.1. Determinarea estimativă a necesarului de căldură
Din punct de vedere al consumului de energie casele se împart în:
case fara termoizolatie
case mai vechi fara termoizolatie deosebita
case cu termoizolatie normala
case noi cu termoizolatie buna
case cu consum de energie redus
case pasive din punct de vedere energetic
Datorită potențialului termic redus asigurat de pompele de căldură în continuare se vor
analiza cazurile caselor pasive din punct de vedere energetic, a celor cu consum energetic
redus și asupra celor cu termoizolație normală.
În cazul pompelor de căldură este foarte importantă dimensionarea exactă, deoarece dacă se aleg aparate prea mari, atunci și costurile de achiziție și exploatare vor fi foarte ridicate. Se va evita pe cât posibil supradimensionarea instalației.
Necesarul de căldură total se împarte în trei componente:
necesarul de căldură pentru încălzire care este influiențat de natura și grosimea izolației
necesarul de căldură pentru prepararea apei calde menajere care este influiențat de numărul de persoane
necesarul de căldură pentru ventilare și aerisire.
3.2.2. Calculul necesarului real de căldură. Calculul pierderilor de căldură prin
elementele construcției.
Metoda de calcul constă în adoptarea coeficienților de schimb de căldură conform standardelor din după care se calculează grosimea stratului de termoizolație.
Climatul din România are puternice caracteristici continentale, cu ierni friguroase când temperatura poate scădea până la -25ºC sau chiar -30ºC.
Conform STAS-ului SR 1907/1-97, temperatura exterioară convențională de calcul este de -18ºC.
Temperatura interioară ti este de 22ºC pentru camere, baie și bucătărie și ti; de 15 ºC pentru magazie și cămară.
Temperatura podului tpod este de -11ºC
Temperatura solului tsol la 50 cm adâncime, adâncime la care se află fundația este de -2 ºC.
3.2.3. Detereminarea necesarului total de căldură
Necesarul total de căldură reprezintă suma necesarului de căldură pentru încălzirea locuinței și a necesarului de căldură pentru prepararea apei calde menajere.
Q total=Q inc+Q aer.+Q a . c.. [kw]
Necesarul de căldură pentru aerisire și ventilare pentru cazul caselor pasive enrgetic și a caselor cu consum redus de energie se calculează luând în considerare și căldura care se recuperează din aerul evacuat.
Prepararea apei calde menajere presupune alte condiții decât încălzirea deoarece prepararea de apă caldă menajeră funcționează de-a lungul întregului an cu aproximativ aceleași solicitări de căldură și cu același nivel de temperatură.
a) Determinarea necesarului total de căldură în cazul caselor pasive din punct de vedere energetic:
Qtotal=Qinc+Qaer .+Qa. c.m =2,28+2,28+1=5,56 kW
b) Determinarea necesarului total de căldură în cazul caselor cu consum energetic redus:
Qtotal = Qinc +Qaer. + Qa. c.m =3,73+3,73+1=8,46 kW
c) Determinarea necesarului total de căldură în cazul caselor noi cu termoizolație bună:
Qtotal =Qinc +Qaer. +acm =5,1+4,08+1=10,18 kW
Datele obținute prin calcule sunt trecute în tabelul 2.
Tabel 2. Necesarul de căldură
Diferențele dintre stabilirea estimativă a necesarului total de căldură și necesarul de căldură total calculat se justifică prin climatul mai călduros al Germaniei fata de cel al României (necesarul de căldură specific este mai mic în fata de cel din România).
Figura 7.Variația necesarului de căldură în funcție de tipul casei
Din figura 7 s-au concluzionat următoarele: casa cu necesarul de căldură cel mai scăzut este casa pasivă energetic urmată de casa cu consum energetic redus. Datorită grosimii mari a termoizolației în cazul casei pasive investițiile în izolație sunt practic duble fata de cele ale casei cu consum energetic redus. Casa cu termoizolație bună este cea mai ieftină, dar și necesarul de căldură este cel mai mare. Cea mai fiabilă soluție din punct de vedere economic și al necesarului de căldură este casa cu consum energetic redus.
Dimensionarea corectă a unei pompe de căldură este esențială pentru durata ei de serviciu. O PDC supradimensionată, pe lângă faptul că e mai scumpă, are un regim incorect de funcționare cu porniri și opriri mai dese. O PDC subdimensionată funcționează mai mult și cu pauze mci. E preferabil, daca nu avem de ales, să subdimensionam (cu anumite limite) decât să supradimensionam o PDC.
3.3. Teoria PDC. Coeficientul de performanță (COP)
[NUME_REDACTAT] inversat este ciclul după care funcționează o pompă de căldură cu comprimare de vapori acționată electric.
Coeficientul de performanță real (COP) depinde de ecartul de temperatură dintre sursa rece și agentul termic. În concluzie dacă dorim o eficiență maximă, atunci diferența între sursa rece (apă, aer, sol) și agentul termic trebuie să fie cât mai mică. Pentru realizarea acestui deziderat se vor folosi sisteme de distribuție a căldurii cu temperaturi coborâte (30 – 40°) și anume: încălzirea în pardoseală, în pereți, ventilconvectoare.
Folosirea sistemelor clasice este posibilă dar cu prețul scăderii drastice a COP-ului.
Este obligatoriu și esențial ca în momentul când se prezintă COP-ul unei PDC să se precizeze temperatura sursei reci și temperatura agentului termic
Este o mare inducere în eroare din partea unor producători sau furnizori de PDC să prezinte posibililor beneficiari în specificațiile tehnice valoarea COP-ului fără a preciza ecartul de temperatură (diferența dintre temperatura sursei reci și a celei calde).
Figura 8.Variația COP funcție de T
Putem conchide, pe baza celor prezentate mai sus că eficiență unei PDC crește o dată cu scăderea diferenței de temperatură între sursa rece și agentul termic.
Daca se calculează raportul puterea termica produsa / puterea cedata de sursa rece + puterea electrica absorbita de compresor se va constata că acest raport corespunde cu coeficientul de performanță real descris anterior.
În momentul când spunem că o PDC are COP = 5 ( precizând și ecartul de temperatură ) spunem de fapt că respectiva PDC produce cu 1kW putere electrică 5 kW putere termică. Putem spune chiar că acesta ar fi "randamentul" PDC – dar faptul că este supraunitar nu va da bine și de aceea este numit coeficient de performanță. Valoarea COP- lui este o valoare momentana
( întodeuna supraunitară). Pentru a putea stabili un COP cât mai apropiat de realitate se ia în calcul o perioadă mai lunga (de ex. un an) și se stabileste un COP anual,care este evident diferit de cel momentan (de obicei la calcularea lui se ține cont de toate consumurile auxiliare, cum ar fi pompele de extracție, recirculare, etc).
Coeficientul de performantă al PDC pentru regimul de răcire (climatizare de vara) este denumit si EER – eficientă energetica de racire. În acest regim PDC urmează [NUME_REDACTAT] normal, PDC "transformându-se" într-un veritabil frigider. Întâmplător prescurtarile "COP"
(coefficient of performance) și "EER" (energetic efficiency of refrigeration) corespund cu prescurtarile folosite în limba engleza și va fi foarte ușor să recunoaștem acești coeficienți în literatura de specialitate sau specificații tehnice scrise în aceasta limba.
Valoarea EER are o importanță deosebită la dimensionarea PDC reversibile deoarece necesarul de răcire este mai mare decât necesarul de încălzire și în această situație puterea compresorului va fi dată de necesarul de răcire.
În momentul de față PDC foarte performante au un COP cuprins în general între 3,5-5,5 și în mod excepțional depăsesc aceste valori ( bineînțeles la ecarturile minime de temperatură). Un exemplu în acest sens sunt anumite PDC fabricate de firma austriacă NEURA cu o concepție cu totul specială, care ajung în treapta de funcționare "ECO" la COP ce se apropie de cifra 8. (Centrul de Testari din Toess, Elvetia).
Capitolul 4. Pompe de căldură pentru utilizări casnice
Pompele de căldură pentru încălzirea și răcirea clădirilor pot fi împărțite în patru mari categorii, în raport cu funcțiile lor:
Pompe de căldură numai pentru încălzire (acestea realizează numai încălzirea spațiilor și/sau a apei calde menajere).
Pompe de căldură pentru încălzire și răcire (acestea realizează atât încălzirea cât și răcirea spațiilor). Cea mai des întâlnită este pompa de căldură reversibilă aer-aer, care poate funcționa fie pentru încălzire, fie pentru răcire. Pompele de căldură de dimensiuni mari din clădirile comerciale sau administrative utilizează apa pentru distribuția căldurii și a frigului, iar furnizarea acestora se realizează simultan.
Sisteme integrate de pompe de căldură (acestea realizează încălzirea și răcirea spațiilor, încălzirea apei calde menajere și uneori recuperarea căldurii din aerul evacuat). Încălzirea apei menajere se poate face fie numai prin de-supraîncălzirea vaporilor, fie prin de-supraîncălzirea și condensarea vaporilor. Cea de-a doua variantă permite producerea apei calde menajere atunci cănd nu este necesară încălzirea sau răcirea spațiilor.
Pompe de căldură pentru încălzirea apei calde menajere (destinate în totalitate pregătirii apei calde menajere). Acestea pot fi de tipul aer-apă sau apă-apă și utilizează ca sursă de căldură:
aerul din imediata apropiere,
aerul evacuat de către instalația de climatizare,
căldură de de-supraîncălzire.
Pentru încalzirea locuințelor și prepararea apei calde menajere cele mai utilizate variante sunt:
Pompa de căldură aer-apă
Pompa de căldură apă-apă
Pompa de căldură sol-apă – cu colectori orizontali ; – cu sonde ;
Pompa de căldură aer-apă
4.1. Pompa de căldură aer – apă
Pompele de căldură sistem aer-apă se pot utiliza în prezent la fel ca pompele de căldură sol-apă sau apă-apă pe durata întregului an.
În clădiri construite conform standardelor în vigoare, pompa de căldură sistem aer-apă poate funcționa monovalent sau monoenergetic în combinație cu o rezistenta electrică.
Sursa de căldură -aerul- este foarte ușor de procurat și este disponibil peste tot în cantități nelimitate, prin aer se înțelege utilizarea aerului din exterior. Nu se acceptă utilizarea ca sursă de căldură în clădiri de locuit a aerului din interior pentru încălzirea locuințelor. Aceasta se poate utiliza numai în cazuri speciale, ca de exemplu în cazul utilizării de căldură recuperată în firmele de producție și în industrie.
În cazul surselor de căldură pentru aer, dimensionarea sursei de căldură se stabilește în funcție de tipul constructiv și de dimensiunea aparatului. Schema unei asemenea instalații este prezentată în figura 9.
Figura 9.PDC aer – apă
Caracteristic acestei pompe de căldură este faptul că poate funcționa foarte ușor atât în încălzire în sezonul rece, dar și în condiționare în sezonul cald. Datorită temperaturilor scăzute ale aerului în sezonul rece eficiența pompei scade considerabil fata de eficiența pompelor care felosesc ca sursă de căldură solul sau apa.
Schema din figura 10 reprezintă schema de funcționare a unei PDC aer – apă a unui producător austriac de PDC – OCHSNEDER WAERMEPUMPE și este ridicată de pe o PDC aer – apă reală.
Figura 10. Schema de funcționare a unui PDC aer – apă reală
Cu toate ca PDC aer –apa are cel mai scăzut COP dintre toate PDC, ea este, alături de PDC sol-apă, una dintre cele mai vândute PDC din Europa. Sistemul aer-apă este un sistem relativ simplu de montat și nu necesită lucrări speciale de amenajare (săpături, foraje, etc.) Dezavantajul major al sistemului este faptul că nu poate funcționa monovalent la temperaturi foarte scăzute (începând de la cca.-15ºC).
Aceste PDC pot funcționa bivalent- paralel monoenergetic prin folosirea unei rezistențe electrice care intră în funcțiune la temperaturi foarte scăzute ( sub -15º C). Datorită acestui fapt puterea de încălzire este limitată.
Figura 11.PDC aer-apă cu modulul de aer în interior
Figura 12.PDC aer-apă cu modulul de aer în exterior
Cu toate dezavantajele prezentate PDC aer-apă este extrem de utilizată atât la sistemele de preparare a apei calde menajere cât și la încălzire. Compania germana STIEBEL-ELTRON realizează în acest sens: prin cooperarea dintre panouri solare și PDC aer-apă un sistem ultraeficient de producere a apei calde menajere. Anumite tipuri de PDC aer-apa marca STIEBEL-ELTRON au cuplate panouri solare și pentru încălzirea de iarnă.
Acest sistem aer- apă poate fi utilizat pe scară mare și la încălzirea piscinelor:
PDC aer-apă are și capacitatea de a împrospata și răci aerul din anumite încăperi în paralel cu producerea apei calde menajere. Și aici STIEBEL-ELTRON deține o largă varietate de modele de PDC aer-apă combinate cu sisteme de aerisire și ventilație. Aceste sisteme se pretează în special la dotarea caselor cu consum scăzut de energie (case eficiente) sau la utilarea caselor pasive.
4.2. Pompa de căldură apă – apă
Apa freatică este un bun acumulator pentru căldura solară. Datorită nivelului de temperatură constant al sursei de căldură, indicele de putere al pompei de căldură se menține de-a lungul anului ridicat. Din păcate apa freatică nu se găsește în cantitate suficientă în toate zonele și nu are o calitate corespunzătoare, dar acolo unde condițiile permit, merită să se utilizeze acest sistem.
În cazul apei freatice fără conținut de oxigen, dar cu conținut ridicat de fier și mangan se îngălbenesc puțurile. În acest caz apa nu trebuie să vină în contact cu aerul sau trebuie tratată corespunzător. Pentru a reduce coroziunea vaporizatoarelor acestea trebuie realizate din oțel inoxidabil.
Lacurile și râurile sunt indicate pentru obținerea de căldură, pentru că ele funcționează de asemenea ca acumulatoare de căldură.
Este recomandabil ca apa freatică să nu fie pompată de la adâncimi mai mari de 15 m, costurile pentru instalația de foraj ar fi mult prea ridicate. Pentru instalații industriale sau instalații mari se poate fora și la adâncimi mai mari. Pentru utilizarea căldurii trebuie realizat un puț aspirant și un puț absorbant după cum se vede și în figura 13.
Extracția și recircularea trebuie să se realizeze în direcția de curgere a apei freatice pentru a evita un așa nimit scurtcircuit. Între extracție (puț cu pompă) și recirculare (puț absorbant) trebuie să se mențină o distantă de circa 5m.
Figura 13.PDC apă – apă
Sistemul apă-apă este numit și sistem de captare cu buclă deschisă; poate ajunge ușor la un COP=5 și chiar îl poate depăși dacă este bine realizat și corect dimensionat. De asemenea, poate furniza puteri impresionante ajungând la mii de kW, pe o singură unitate sau cuplând mai multe unități de putere mai mică. Cu toate acestea, până la ora actuală, cel puțin în Europa, nu este cea mai răspândită PDC.
Motivele sunt mai multe:
calitatea apei trebuie să îndeplinească practic calitatea apei potabile;
apa trebuie reinjectată în sol (puțul de injecție trebuie să fie amplasat la min. 15m în aval față de direcția de curgere a apei în pânza freatică);
În tabelul 2 sunt prezentate calitățile impuse apei folosite ca sursă rece la o PDC.
SISTEMUL KAPITHERM, care folosește distribuția căldurii și frigului în pereți printr-o rețea de vase capilare, reușește să realizeze răcirea pasivă și la sistemele cu PDC sol-apă.
4.3. Pompa de căldură sol – apă
PDC sol-apă este o PDC foarte răspândită comparativ cu cea apă-apă și are ca "sursă rece" căldura solară acumulată în straturile superioare ale Pamântului. Practica a arătat și teoria a confirmat, că începând de la o anumită distanță în sol (cca.15m), temperatura rămâne relativ constantă, cu fiecare 30 m în adâncime temperatura crescând doar cu cca. un grad Celsius. Dacă suntem interesați doar de straturile superficiale, până la adâncimea de max. 200-250 m, putem vorbi de o temperatură cuprinsă între 8-16 grade Celsius. PDC poate funcționa doar dacă temperatura "sursei reci" (deci a solului) nu depășește 28-30 grade Celsius (cea minimă fiind în jur de 8º C). Peste această temperatură PDC sol-apă, și în general orice PDC, nu mai poate fi utilizată. Același lucru este valabil și la temperaturi mai mici de cca. 8º C.
In figura 14 este prezentată structura temperaturilor în profunzime, spre [NUME_REDACTAT].
Figura 14.Structura temperaturilor spre [NUME_REDACTAT]
Acest uriaș potențial energetic aflat la mii de km adâncime nu face obiectul folosirii PDC. Căldura necesară funcționării acestora se extrage doar din straturile superioare (care sunt încălzite, de fapt, de la Soare) și, asa cum am specificat, temperatura la care se folosesc PDC sol- apă este intre cca. 8º C si 30º C. Folosirea PDC în cooperare cu izvoare geotermale de mare adâncime, ce au temperaturi de mii de grade C (aceste izvoare numindu-se și "izvoare de rocă fierbinte") este posibilă doar după ce acestea din urmă au pierdut potențialul și au ajuns la temperaturi compatibile cu funcționarea unei PDC.
Schema de principiu a unei instalații de recuperare a căldurii din straturile de mare adâncime (rocă fierbinte) ale Pământului și transformarea ei în energie electrică și energie termică de încălzire este prezentată în figura 15:
Figura 15. Schema geotermală de putere nazată pe conceptual ”Rocă uscată fierbinte”
Precizările de mai sus au fost făcute în scopul evitării confuziilor care apar de obicei în discuții legate de căldura geotermală a Pământului. Lucrurile se vor putea ușor lămuri dacă se face precizarea de la început despre ce straturi ale Pământului vorbim: despre straturile superioare (max. 250 m) sau despre straturile inferioare (mii de km).
În straturile superficiale ale Pământului situația stă în felul următor:
Figura 16.Variația temperaturii în funcție de adâncime și anotimp
Captarea "sursei reci" la PDC sol-apă se poate face :
cu captatoare plane – îngropate la cca. 1-1.5 m (se mai pot folosi captatoare sub formă de spirală sau kunette);
cu sonde de adâncime – ce pot ajunge de la 50 la 100 m (în cazuri speciale pot ajunge si la 250 m);
cu vaporizare directă dispusă în captatoare plane din cupru.
Sistemele de captare din sol mai sunt numite și sisteme cu "buclă închisă".
4.3.1. PDC sol – apă cu colectori orizontali
Solul are proprietetea că poate acumula și menține energia solară pe o perioadă mai lungă de timp, ceea ceconduce la un nivel de temperatură al sursei de căldură aproximativ constant de-a lungul întregului an și astfel la o funcționare a pompelor de căldură cu indice de putere momentan ridicat. Preluarea de căldură din sol se realizeazză prin intermediul tuburilor din material plastic cu suprafața mare montate în sol ca și în figura 17.
Figura 17.PDC sol-apă cu colectori orizontali
Tuburile din material plastic (PE) se amplasează paralel, în sol, la o adâncime de 1,2…1,5m și în funcție de diametrul ales al tubului, la o distantă de 0,5…0,7m astfel încât pe fiecare metru pătrat de suprafata de absorbție să fie montat 1,43 până la 2 m de tub (figura 18).
Figura 18.Așezarea colectorilor orizontali
Lungimea tuburilor nu trebuie să depasească o lungime de 100 m deoarece în caz contrar cresc pierderile de presiune.
Capetele tuburilor sunt introduse în colectoare pe tur și pe retur, care trebuie amplasate la un nivel mai ridicat decât tuburile, pentru a se putea aerisi întregul sistem de tuburi. Fiecare tub se poate bloca separat. Apa sărată se pompează prin tuburile din material plastic cu ajutorul unei pompe de circulate, astfel aceasta preia căldura acumulată în sol. Prin intermediul pompei de căldură se utilizează căldura pentru încălzirea încăperilor.Înghetarea temporară a solului în zona din jurul tuburilor, de obicei în a doua jumătate a perioadei de încălzire, nu are efecte secundare asupre funcționării instalației și asupra creșterii plantelor. Dar totuși nu trebuie plantate plante cu rădăcini foarte adânci în jurul tuburilor pentru apă sărată. Regenerarea solului încălzit se realizează începând cu a doua jumătate a perioadei de încălzire prin radiație solară și precipitații mai puternice, astfel încât se poate asigura faptul că pentru perioada următoare de incălzire acumulatorul sol este pregătit din nou pentru încălzire.
Lucrările de săpături necesare, se realizează în cazul construcțiilor noi fără costuri suplimentare foarte mari dar în cazul construcțiilor deja existente, costurile sunt de regulă atât de ridicate încât de cele mai multe ori se renunță la această variantă.
Căldura din sol determinantă pentru preluarea de căldură este energia solară acumulată care prin radiație directă prin transfer de căldură din aer sau din precipitații se transmite solului. Aceasta este și sursa de căldură care este responsabilă de regenerarea relativ rapidă a solului răcit după o perioadă de încălzire. Variația de temperatură în straturile superioare în funcție de anotimp a fost prezentată în figura 14. Imediat ce se coboară sub nivelul de îngheț aceste variații sunt mult mai reduse.
Cantitatea de căldură care se poate utiliza și prin aceasta mărimea suprafeței necesare depinde foarte mult de proprietatile termofizice ale solului și de energia radiată adică de condițiile climatice.
Proprietatile termice cum ar fi capacitatea volumetrică de căldură și conductibilitatea termică, depind foarte mult de compoziția și de proprietatile solului.
4.3.2. PDC sol-apă cu sonde
Datorită suprafeței mari necesare pentru montarea colectorilor orizontali pentru sol, este dificilă realizarea chiar și în cazul locuințelor noi din motive de spațiu. În special în orașele aglomerate, cu suprafețe foarte mici spațiul este limitat. Din acest motiv în prezent se montează cu preponderență sonde verticale de căldură pentru sol, care se pot introduce la adâncime de 50 până la 150 m. O astfel de instalație este prezentată în figura 19.
Figura 19.PDC sol-apă cu sonde
O astfel de sondă este prezentată în figura 20.
Figura 20.[NUME_REDACTAT] dintre două sonde pentru sol trebuie să fie de 5…6 m.
În acele regiuni cu soluri ce pot fi ușor forate sondele din polietilenă sunt puse în operă cu ajutorul unor instalații de foraj cu spălare cu apă. Pentru aceasta se utilizează o sapă de foraj cu diametrul de cel puțin 90 mm. Apa este pompată cu mare presiune prin această sapă de foraj și aduce la suprafata materialul dislocat. Materialul dislocat este depozitat într-o groapă în apropierea forajului. Apa în exces este preluată de la partea superioară a acestei gropi și reutilizată în procesul de forare. În momentul atingerii adÎncimii de foraj prevăzute se introduce în gaura de foraj o sondă deja pregătită verificată la presiune și plină cu apă. Apoi sonda de foraj este ridicată și demontată bucată cu bucată. În final gaura forată se umple din nou cu pământ. Ca material de umplere se poate folosi betonitul. Dacă în timpul forajului au fost perforate straturile impermeabile, acestea trebuiesc refăcute la umplere. Pentru procedeul mai sus amintit costurile estimate pentru condiții geologice forabile sunt apreciate la 35-40$ pe fiecare metru de sondă.
Aceste costuri sunt însă puternic dependente de structura subsolului.
Numeroase instalații cu pompe pentru sonde de căldură, pentru sol funcționează de mulți ani fără a prezenta vreo defecțiune și sunt preferate de utilizatori. Conform măsurătorilor efectuate în condiții hidrogeologice bune, mai ales în cazul în care există apă freatică curgătoare, este posibilă funcționarea monovalentă a pompelor de căldură fără răcirea pe timp îndelungat a solului.
Premisa pentru proiectarea și montarea lor esete determinate de cunoașterea exactă a caracteristicilor solului si nivelul apei subterane și a direcției de curgere.
4.4. Încălzirea prin pardoseală
În alegerea sistemului de încălzire prin pardoseală există astăzi păreri diferite, datorită numeroaselor probleme generate de colmaterea cauzată de difuzia oxigenului.
În anii ’80 în au fost realizate numeroase sisteme de încălzire, care utilizează surse clasice de căldură (cazane) și folosesc țeava ce nu permite difuzia oxigenului. Problemele apăreau însă în acele instalații de încălzire unde era prelucrat oțelul. Aici producea oxigenului și coroziunea conducea la apariția depunerilor sub formă de nămol.
Dacă instalația nu conține elemente ce pot fi corodate, nu se formează nici depunerile sub formă de nămol. În unele țări europene se utilizează de asemenea țevi care permit difuzia oxigenului, dar materialele sunt rezistente la coroziune și cazanul este protejat prin intercalarea unui schimbător de căldură. Această experienta tehnică a condus și în Germania la utilizarea țevilor din polipropilenă, care chiar dacă sunt mai scumpe, prezintă o foarte bună rezistență la difuzia oxigenului și compensează astfel cheltuielile suplimentare pentru instalația de încălzire cu pompa de căldură. O schemă a încălzirii prin pardoseală este prezentată în figura 21.
Figura 21.Încălzirea prin pardoseală
Sistemele de încălzire prin pardoseală lucrează cu temperaturi superficiale scăzute chiar și la sarcini termice mici.
4.5. Prepararea apei calde menajere.
Producerea de apă caldă menajeră prezintă alte cerințe în comparație cu producerea agentului termic pentru încălzirea spațiilor, și anume:
alimentarea cu apă caldă se face pe parcursul întregului an la debite și temperaturi aproximativ constant;
nivelul de temperatură solicitat este sensibil mai ridicat decât cel pentru un sistem modern de încălzire prin pardoseală.
Mărimea rezervorului-acumulator depinde de consumul de apă caldă-menajeră. Se recomandă să se renunțe la un sistem pentru re-circularea apei calde, deoarece consumul suplimentar de energie pe care inplică nu influiențează nici îmbunătatirea confortului, nici consumul de apă caldă. În cazul în care nu se poate renunța la re-circularea acesteia trebuie imitată la orele de vărf de consum. Un rezervor-acumulator este prezentat în figura 22:
Figura 22.Rezervor acumulator
Capitolul 5. Stadiul actual privind utilizarea pompelor de căldură
5.1. Domenii de utilizare a PDC. [NUME_REDACTAT] PDC constituie o rezervă uriață de energie termică pentru încălzirea spațiilor și prepararea apei calde menajere.
Să analizăm o statistică privind structura utilizarii principalilor purtători de energie într-o țară a cărei civilizație este unanim recunoscută (Elvetia):
Figura 23.Statistica utilizării energiei în Elveția
PDC este inclusa in cei 7.6% la categoria "altele" .
Pe plan mondial, în țările civilizate, căldura necesară pentru încălzirea spațiilor ocupă un loc important, din totalul de energie consumat:
energie pentru iluminat 2%;
energie termica pentru diferite procese 27%;
energie pentru incalzirea spatiilor 32%;
energie mecanica 39%.
La nivelul unei familii cu standard civilizat, situația se prezintă astfel:
iluminat 1%;
aparate electrocasnice ( inclusiv gătit ) 10%;
apa caldă menajera 12%;
încălzire spațiu 77%.
Figura 24.Consumul de energie la nivelul unei familii
PDC poate înlocui cu succes sistemele convenționale de energie folosite în acest moment la încălzirea spațiilor, la prepararea apei calde menajere.
Prețul în creștere permanentă a purtătorilor de energie face ca PDC să devină o investiție rentabilă, cu o perioadă de recuperare a investiției suplimentare de numai câțiva ani (funcție de sistemul convențional pe care-l înlocuiește).
Paralel cu avantajele legate de cheltuielile reduse de exploatare sunt și avantajele legate de protectia mediului :
Figura 25.Emisiile de CO2
Emisiile de CO2 ale PDC provin de la partea de energie electrică produsă, necesară funcționarii PDC.
În momentul de față toate statele civilizate caută soluțiile cele mai puțin poluante de a produce energie electrică. PDC raspunde la necesitatea de a consuma rațional această energie.
Fără nici o îndoială PDC cu cea mai mare eficiență este cea apă – apă. Pare paradoxal dar PDC cea mai răspândită nu este acest tip de PDC, ci PDC sol-apă:
Figura 26. Statistică realizată de [NUME_REDACTAT] Germană a Constructorilor de PDC
Figura 27.Statistică realizată pe piața elvețiană a PDC
5.2. Mari producători de pompe de căldură
Pompe VIESSMANN
Sunt pompe de căldură constructiv compacte bazate pe sistemul sol/apă cu acționare electrică pentru încălzire și preparare de apă caldă menajeră în instalații de încălzire monovalente sau bivalente. Folosesc agent de răcire fără freon, neinflamabil R 407 C
b) DIMPLEX
1. Pompe de caldura DIMPLEX tip APĂ~APĂ
Performanțele energetice ale pompelor de căldură apă-apă din gamele "WI…CS" definesc noi standarde. Raportul dintre energia gratuită a mediului înconjurător și energia electrică folosită este extrem de avantajos (factor de performanță de 5,5 – 5,9).
Schimbătorul de căldură spiralat este protejat împotriva formării gheții, pe exterior, cu ajutorul unei geometrii speciale.
Sunt necesare două puțuri forate până la adâncimea care asigură debitul de apă necesar în funcționare, în funcție de capacitatea pompei de căldură.
2. Pompe de caldura DIMPLEX tip SOL~ APA
Pompele de căldură sol-apă Dimplex extrag o mare parte a necesarului de energie calorică din energia solară stocată în sol.
Capitolul 6. Studiul de caz privind utilizarea energiei geotermale in cascada
6.1. Prezentare generală
S-a urmărit utilizarea a energiei geotermale extrasă de la o sondă cu debitul de 90 m3 / h, (25 l/s) și o temperatură de 85 0C în cascadă la diferiti consumatori avand cele doua regimuri diferite vara-iarna.
Prin utilizarea în cascadă a energiei geotermale se înțelege folosirea apei geotermale uzate termic de la un utilizator de energie geotermală, denumit utilizator primar, ca sursă energetică pentru alți utilizatori de energie geotermală, denumiți utilizatori secundari.
Schema utilizării în cascadă a fost gândită astfel :
În perioada de iarnă :
Treapta I – încălzire cu corpuri statice ;
Treapta II – alimentare cu a.c.c. a unui cartier rezidențial ;
Treapta III – încălzirea unor sere.
În perioada de vară :
Treapta I – procese uscare industrială ;
Treapta II – alimentare cu a.c.c. a unui cartier rezidențial ;
Treapta III – încălzirea unor ștranduri.
În perioada de iarnă :
În perioada de vară :
Schema utilizării în cascadă a energiei geotermale
Utilizatori primari
temperatura apei geotermale: 85 °C
pentru circuitul de încălzire:
– agent primar: apa geotermală
– debit: 90 m3 / h (25 l / s)
– temperaturi (tur / retur): 85 °C / 60°C
– agent secundar: apă caldă
– debit: 80 m3 / h (26,4 l / s)
– temperaturi (tur / retur): 70 °C / 40 °C
pentru circuitul de preparare apă caldă menajeră:
– agent primar: apa geotermală
– debit: 23 m3 / h (6,5 l / s)
– temperaturi (tur / retur): 60 °C / 50 °C
– agent secundar: apă caldă
– debit 15 m3 / h (4 l / s)
– temperaturi (tur / retur): 50 °C / 15 °C
pentru circuitul de încălzire al serei / ștrand:
– agent primar: apa geotermală
– debit: 7 m3 / h (2 l / s)
– temperaturi (tur / retur): 50 °C / 35 °C
– agent secundar: apă caldă
– debit: 4 m3 / h (1,5 l / s)
– temperaturi (tur / retur): 35 °C / 15 °C
6.2. Utilizarea energiei geotermale în perioada de iarnă
6.2.1. Încălzirea unui cartier rezidențial
În prima parte s-a calculat puterea termică maximă de încălzire (Q) utilă pentru asigurarea condițiilor normale de confort în încăperile încălzite pentru a se verifica volumul care poate fi încălzit cu ajutorul energiei apei geotermale.
Cunoscând aceste date se calculează căldura disponibilă :
I. Q1 = 25 kg / s · 4,1868 kJ / (kg · 0C) · (85 – 60) 0C = 261,675 kW
II. Q2 = 25 kg / s · 4,1868 kJ / (kg · 0C) · (60 – 50) 0C = 104,67 kW
III. Q3 = 25 kg / s · 4,1868 kJ / (kg · 0C) · (50 – 35) 0C = 157,005 kW
Considerând G = 0,55 iar Δt = 25 0C, [Δt = ti – te = 20 – (-5) = 25 0C],
G fiind coeficientul de izolare termică, volumul care poate fi încălzit este:
V = 261 675 / (25 · 0,55) = 19 031 m3
Pentru o temperatură exterioară mai mare de – 5 0C se pot încălzi 160 de apartamente având aproximativ fiecare 50 m2.
Dacă G = 0,48 și Δt = 25 0C, volumul care poate fi încălzit este:
V = 261 675 / (25 · 0,48) = 21 806 m3
În concluzie, se poate încălzi 10 blocuri, fiecare având 4 niveluri cu câte 4 apartamente de câte 50 m2 pe fiecare pe nivel, deci 16 apartamente pe bloc.
Dimensiunile blocului sunt :
h = 10 m, l = 10 m, L = 21,8 m, V = 2180 m3, tipul blocului fiind de tip P+3 ;
Necesarul de căldură al încăperilor se calculează în funcție de dimensiunile fiecărei încăperi ale clădirii, cu relația:
Q = Vî · G · (Ti – Te) W
– V este volumul încăperii [m3]
– G reprezintă coeficientul global de izolare termică al clădirii [W / m3 · K]
G = 0,48 [W / m3 · K]
– Ti este temperatura interioară medie, a spațiului încălzit [0C]
– Te este temperatura exterioară convențională de calcul, folosită în verificare
ΔT = Ti – Te = 20 – ( – 5) = 25 0C
În cazul în care temperatura exterioară scade sub – 5 0C, este necesar ca încălzirea de la sursa geotermală să fie suplimentată cu agent termic provenit de la o centrală pe combustibili fosili sau pe lemn.
Calculul necesarului de căldură pentru un apartament, având următoarele caracteristici:
1. Dormitor : L = 4 m, l = 3,5 m, h = 2,3 m
2. Bucătărie : L = 3 m, l = 2,7 m, h = 2,3 m
3. Living : L = 4,5 m, l = 4 m, h = 2,3 m
4. Grup sanitar : L = 3 m, l = 2 m, h = 2,3 m
5. Hol : L = 2,7 m, l = 1.5 m, h = 2,3 m
Ariile și volumele apartamentului
Dormitor
QD = VD · G · (Ti – Te) = 32,2 · 0,48 · 25 = 386,4 W
Bucătărie
QB= VB · G · (Ti – Te) = 18,4 · 0,48 · 25 = 220,8 W
Living
QS = VS · G · (Ti – Te) = 41,4 · 0,48 · 25 = 496,8 W
Grup sanitar
QGS = VGS · G · (Ti – Te) = 13,8 · 0,48 · 25 = 165,6 W
Hol
QH = VH · G · (Ti – Te) = 9,2 · 0,48 · 25 = 110,4 W
6.2.2. Alimentare cu apă caldă de consum
Având în vedere disponibilul de energie pentru prepararea apei calde de consum (Q2=104,67 kW) s-a calculat dacă aceasta este suficientă pentru alimentarea cu apă a cartierului rezidențial format din 10 blocuri.
Considerând din ”Manualul de Termoficare”, volumul I, necesarul de apă caldă de consum de 4W/m3, rezultă:
necesarul orar de energie pentru prepararea apei calde de consum cu formula:
qacch = 4W / m3 · V [W / clădire]
qacch = 4W / m3 · V = 4W / m3 · 21 800 m3 = 87 200 [W / clădire]
qacch = 87,2 [kW / clădire]
necesarul anual de energie pentru prepararea apei calde cu formula:
Qaccan = qacch · 24 · 365
Qaccan = qacch · 24 · 365 = 87,2 · 24 · 365 = 763 872 [kWh / clădire an]
S-a ales factorul de simultaneitate fs = 0,8.
Astfel, necesarul anual de apă caldă de consum corectat, se calculează cu formula:
Qacc*an = fs · [NUME_REDACTAT]*an = fs · Qaccan = 0,8 · 763 872 = 611 097,6 [kWh / clădire an]
6.2.3. Încălzirea unei sere
Având în vedere disponibilul de energie pentru încălzirea unei sere (Q3=157,005 kW) s-a calculat prin încercări repetate să se dimensioneze o seră adecvată care are acest necesar de căldură. În cazul în care temperatura exterioară scade sub – 5 0C, este necesar ca încălzirea de la sursa geotermală să fie suplimentată cu agent termic provenit de la o centrală pe combustibili fosili sau pe lemn.
Acesta se face folosind formula de calcul :
Q = [0,44 · A + (0,41 + 1,26 · kconv) · AF] · (θi – θe)
unde,
A este suprafața terenului pe care este amplasată sera;
AF este suprafață geam;
kconv reprezintă coeficientul total de transfer termic prin convecție prin suprafața vitrală;
θi reprezintă temperatura interioară (θi = 20 0C);
θe – temperatura exterioară (θe = – 5 0C).
kconv = kET · [1 + Πn · (kET)n – 1 · ζ]
unde,
n – coeficientul de etanșeitate al serei;
Πn – coeficient de penetrație;
ζ = (ii – ie) / (θi – θe) = 0,26 kJ / kg · K
kET = (αi · αe) / (αi + αe) W / m2 · K
αi = 4,65 + 1,63 · ψ(A) · v
αe = 5,82 + 4,07 · v ; pentru v ≤ 5 m / s
αe = 7,141 · v0,78 ; pentru 5 < v ≤ 10 m / s
v = 5 m / s rezultă αe = 5,82 + 4,07 · 5 = 26,17 W / m2 · K
ψ(A) = 0,1
αi = 4,65 + 1,63 · 0,1 · 5 = 5,465
αi < 5,8 rezultă n = 2
Πn = 0,1
kET = (5,465 · 26,17) / (5,465 + 26,17) = 143,01 / 31,635 = 4,52 W / m2 · K
kconv = 4,52 · (1 + 0,1 · 4,52 · 0,26) = 5,05 W / m2 · K
Dacă :
A = 700 m2
AF = 1020 m2.
Rezultă necesarul de căldură:
Q = [0,44 · 700 + (0,41 +1,26 · 5,05) · 1020] · 25 = 180 W
Dacă :
A = 560 m2
AF = 840 m2
Rezultă necesarul de căldură:
Q = [0,44 · 560 + (0,41 +1,26 · 5,05) · 840] · 25 = 150 W
Soluția potrivită este a doua variantă.
6.3. Utilizarea energiei geotermale în perioada de vară
Treapta I
Pe perioada de vară, nu mai este nevoie de încălzirea locuințelor, așa că vom folosi energia apei geotermale pentru alimentarea cu căldură a unor consumatori industriali pentru uscarea unor produse. Spre exemplu uscarea materialului lemnos și a fructelor de pădure, se poate folosi ca agent, energia geotermală.
Parametrii necesari pentru acest proces tehnologic sunt :
Temperatura apei geotermale: 85°C;
Temperatura necesară aerului pentru preuscarea materialului lemnos: 60°C;
Temperatura necesară aerului pentru uscarea materialului lemnos: 80°C;
Temperatura necesară aerului pentru preuscarea fructelor de pădure: 50°C;
Temperatura necesară aerului pentru uscarea fructelor de pădure: 70°C).
În perioada de iarnă procesul de uscare a materialului lemnos și a fructelor de pădure poate continua, dar cu aport suplimentar de căldură din alte surse (hidrocarburi, biomasă).
Treapta a II se face în continuare alimentare cu apă caldă de consum pentru ca apoi, în treapta a III energia apei geotermale să fie folosită la încalzirea unor ștranduri sau piscine. Pentru acest gen de aplicație, pompele de căldură aer-apă, sunt între cele mai eficiente posibile, iar combinația cu un echipament de încălzire utilizând energie solară este cu atât mai performantă și permite exploatarea ieftină a piscinei cu apă caldă, atât în perioadele însorite cât și în cele fără radiație solară directă. Costurile de exploatare ale unor instalații de încălzire a apei din piscine, utilizând pompe de căldură aer-apă, sunt mai reduse decât cele ale unor sisteme funcționând cu gaz, diverși combustibili lichizi, sau peleți. Singurele sisteme mai ieftine din punct de vedere al cheluielilor cu sursa de energie, sunt cele utilizând brichete sau lemne, dar aceste sisteme nu permit funcționarea automatizată a echipamentului de încălzire, ceea ce implică dificultăți de exploatare, sau creșterea cheltuielilor de exploatare, ceea ce anulează avantajul costurilor cu combustibilul, mai reduse.
Capitolul 7. Studiu de caz privind utilizarea unei pompe de căldură pentru alimentarea unui consumator rezidențial.
7.1. Prezentarea imobilului și descrierea amplasamentului
Imobilul pentru care se va proiecta instalația de încălzire în pardoseală și preparare a apei calde menajere cu ajutorul unei pompe de căldură tip sol – apă cu colectori plani.este o locuință unifamiliara, în care locuiesc 4 persoane, situată în Bucuresti.
Locuința este compusă din 6 camere, o bucătărie, 2 băi, 2 holuri, un grup sanitar și un spațiu tehnic, având împreună o suprafață utilă de 200 mp. Imobilul nu dispune de nici un sistem de încălzire.
Pereții exteriori , sunt realizați din beton cu o grosime de 15 cm având aplicat pe partea exterioară cât și pe partea interioară o termoizolație din polistiren extrudat cu grosime de 6,4 cm, cu o grosime totală de 28 cm. Pe ambele fețe ale peretelui se aplică un strat de tencuială de 1 cm.
Podeaua, este realizată dintr-un strat de 30 cm de beton peste care se montează termoizolație din polistiren extrudat. Peste izolație se aplică sistemul de încîlzire în pardoseală cu o grosime totală de 9 cm.
Planșeul peste parter realizat din beton armat, având o grosime de 80 cm este izolat cu polistiren AMVIC expandat peste care se montează încălzirea în pardoseală de la etaj.
Pe partea interioară se aplică un strat de tencuială cu o grosime de 1 cm.
Geamurile și ușile care comunică cu exteriorul sunt realizate din termopan.
Prezentul proiect de specialitate are ca obiect instalatiile termice cu
Proiectul are ca obiect instalațiile termice cu care va fi dotat imobilul, pentru a asigura condițiile de temperaturi interioare de confort. La baza proiectului au stat SR 1907/1997 și prescripțiile tehnice în vigoare.
Pentru încălzirea locuinței se va adopta un sistem de încălzire prin pardoseală tip Rehau.
Agentul termic de încălzire va fi apa caldă cu parametrii: Tt/Tr = 45/35°C, preparată de o pompă de căldură cu colectori plani amplasați în sol.
Apa caldă de consum menajer va fi preparată prin intermediul unui boiler bivalent cu capacitatea de 300 l tip HT 300 ERMR. Pompa de căldură va alimenta serpentina boilerului cu agent termic apă caldă cu temperatura de 45 °C.
Instalația de încălzire va fi compusă din:
Pompa de căldură tip sol-apă cu colector plan tip [NUME_REDACTAT] CC 15 kW
Vas de expansiune închis, cu capacitatea de 15 l
Butelie de egalizare a presiunii
Pompa de circulație a agentului termic – DAB VA 55
Distribuitor/colector pentru fiecare etaj.
Se va utiliza țeava RAUTHERM-S polietilenă reticulată tip “a” cu memoria formei; cu presiunea de lucru (max.): 10 bar; temperatura de lucru (max.): 900C; temperatura maximă admisă pe termen scurt: 1150C; are protecție la difuzia oxigenului; îmbinare nedemontabila, cu manșon alunecător. Sunt admise îmbinările sub pardoseală, ceea ce conduce la economie de materiale.
Ca variantă constructivă propusă se va adopta sistemul placă cu nuturi pentru că față de alte sisteme are câteva avantaje majore, precum: o montare ușoară și rapidă; este o placa termo și fonoizolantă caserată, ideală pentru aplicarea pe planșee curente între apartamente. Marginile plăcilor sunt prevazute cu buza și cep pentru o îmbinare stabilă între ele. Asigură protecție optimă tubulaturii aplicate. Nu absoarbe umezeala din șapa turnată, deoarece suprafața plăcii este hidroizolatoare prin tratament termic. Este prevazută cu distanțieri pentru ca șapa să îmbrace țeava de jur imprejur .
7.2 Calculul rezistențelor termice ale elementelor de construcție
Tabel 3. Perete exterior AMVIC
Tabel 4.[NUME_REDACTAT] 5. Placa peste parter
Tabel 6. Planșeu peste parter
Unde:
R = m2K/W;
δ = grosimea elementului de construcție;
K= 1/R coeficientul de transfer termic;
λ = conductivitatea termică de calcul.
7.3. Calculul coeficientului global de izolare termică „G”
La clădirile de locuit coeficientul global de izolare termică, G are în vedere:
Pierderile de căldură prin transmisie, aferente tuturor suprafețelor perimetrale care delimitează volumul încălzit al clădirii;
Pierderile de căldură aferente unor condiții normale de reîmprospătare a aerului interior;
Pierderile de căldură suplimentare datorate infiltrației în exces a aerului exterior, prin rosturile tâmplăriei.
unde:
G este coeficientul global de izolare termică
Lj_ este coeficientul de cuplaj termic al unui element de construcție din anvelopa clădirii
τj_ este factorul de corecție al temperaturii exterioare
V este volumul interior, încălzit, al clădiri
0.34 este un produs între capacitatea masică a aerului și densitatea aparentă a aerului
n este numărul de schimburi de aer pe oră necesare asigurării condiției de confort în
clădire, n = 0.6 pentru case unifamiliale, moderat adăpostite.
V = 402.93 m3
G = 0.49 W/m3K;
Raportul A/V = 387,54 m2/402,93 m3 = 0.96
Coeficientul normat de izolare termica, GN pentru raportul dintre arie și volum de 0.96 este
de 0.88.
G = 0.49 W/m3K < 0.88, rezultă că, clădirea este foarte bine izolată din punct de vedere termic.
7.4. Necesarul de căldură pentru încălzire
Pentru o încăpere necesarul de căldură este:
unde QT este sarcina termică cedată prin transmisie prin fiecare element de construcție
unde m este coeficient de masivitate termică a elementului de constucție
m=1.225-0.55∙D
D este indice de inerție termică a elementului de construcție
cm este coeficient de corecție a necesarului de căldură în funcție de masa specifică a constucției
cm=1
A este aria elementului de construcție
ti este temperatura interioară:
Pentru grupul sanitar: ti=240C
Pentru încăperi de locuit: ti=200C
Pentru bucătării: ti=180C
Pentru holuri interioare: ti=180C
Pentru casa scării: ti=180C
Pentru spatiul tehnic ti=150C
R0F este rezistența finală a elementului de construcție
A0 este coeficient de orientare
AC este coeficient de compensare a suprafețelor reci
AC=f(Rm)
Unde:
AT este aria totală a încăperii
QT este sarcina termică cedată prin transmisie
Qi este sarcina termică necesară încălzirii aerului infiltrat prin rosturile ușilor și
ferestrelor exterioare sau prin deschiderea acestora
Qi = max(Qi1;Qi2)
unde:
nao este numărul de schimburi de aer:
Pentru încăperi de locuit: nao= 0.22∙10-3
Pentru grupuri sanitare: nao = 0.28∙10-3
Pentru bucătării: nao = 0.35∙10-3
ρ este densitatea aparentă a aerului
ρ = 1.23 kg/m3
cp = 1005 J/kg∙K
Δt = ti-te
V este volumul încăperii
Qi2 este sarcina termică care ține seama de aerul ce pătunde în rosturi
E este coeficient care ține seama de înălțimea clădirii
E = 1 pentru clădiri cu mai puțin de 12 nivele
ΣL este suma lungimilor rosturilor ușilor și ferestrelor exterioare
I este coeficient de infiltrație a aerului prin rosturi
Ae este aria tâmplăriei exterioare
Ai este aria tâmplăriei interioare
v4/3 este viteza vântului funcție de zona eoliană
v4/3 = 8.55 (m/s)4/3
Avem în vedere faptul că sistemul de încălzire ales este prin pardoseală, la calculul sarcinii termice nu se ia în considerare transferul termic prin pardoseală.
În urma calculului, necesarului de caldura pentru încălzirea locuinței și al necesarului de caldură pentru încălzirea apei calde de consum au rezultat urmatoarele valori:
Q = 7.91 kW
7.5. Proiectarea sistemului de încălzire prin pardoseală
Calculul analitic detaliat al unei instalații de încălzire prin pardoseală este foarte laborios, presupune un aparat mathematic destul de complex și un consum de timp considerabil.
Prin acest calcul, pornind de la necesarul de căldură al încăperii, se determină urmatoarele
elemente ale instalatiei :
• Pasul intre tevi
• Lungimea totala a unei serpentine
• Numarul de serpentine (in cazul incaperilor de dimensiuni mari)
• Regimul de temperaturi (tur si retur) din serpentine
• Debite de apa calda din serpentine
• Pierderi de presiune in serpentine
Principiile de calcul sunt reglementate pe plan european prin norma EN 1264.
Mulți dintre furnizorii de astfel de sisteme și-au elaborat metodologii de proiectare proprii (inclusiv programe pe calculator), mai mult sau mai puțin complicate.
Pentru a simplifica munca celor care proiecteaza astfel de lucrări, s-a prelucrat metodologia de calcul din norma de mai sus și s-a transpus în grafice foarte ușor de utilizat în practică.
Modalitatea de lucru
1. Se stabilește necesarul de căldură al fiecărei încăperi. Este indicat ca acest necesar sa fie calculat cât mai corect, evaluarile aproximative fiind de natură să conducă la erori semnificative.
2. Se calculează încărcarea termică specifică pe mp de pardoseală:
q = Q / S (w/mp)
Q – necesarul de căldură al încăperii (w)
S – suprafața pardoselii încălzitoare (in general este aceiași cu suprafața încăperii)(mp)
3. În funcție de natura finisajului preconizat al pardoselii se extrage din una din diagramele 4, 5, 6 sau 7 valoarea diferenței medii logaritmice de temperatură în funcție de q ( calculat la pct. 2) pentru mai multe valori ale pasului între tuburi. Se noteaza într-un tabel.
4. Pentru fiecare valoare a diferenței medii logaritmice, în funcție de temperature interioară dorită, se extrage și se notează din Diagrama 3 temperatura pe tur a agentului termic (apă caldă). De reținut că această temperatură nu trebuie să depășească urmatoarele valori:
– Birouri, camere de locuit……….. 45°C
– Spatiile de trecere,zone marginale………………………. 50° C
5. Cunoscând suprafața pardoselii încălzitoare ( pct. 2) și valorile pasului dintre țevile alese ( pct. 3), se calculează lungimea tubului, folosind urmatoarele lungimi specifice pe mp :
– Pas de 5 cm …… ……lsp= 20 m/mp
– Pas de 7,5cm ……..……lsp= 13.3 m/mp
– Pas de 10 cm…. ……..lsp= 10 m/mp
– Pas de 15 cm… ………lsp= 6.7 m/mp
– Pas de 20 cm …………lsp= 5 m/mp
– Pas de 22.5 cm……..… lsp= 4.4 m/mp
– Pas de 30 cm…………… lsp= 3.3 m/mp
Asfel lungimea totală a tubului este :
L tub= S x lsp (m)
Se rețin pentru pașii următori numai acele cazuri în care:
≤ Ltub ≤ 100 m
6. Cu cazurile reținute de la pct. 5 se intră în Diagrama 1 și se obține debitul de apă care circulă prin tub (în l/h ) pentru fiecare caz în parte, la o pierdere de presiune de 2000 mm
7. Se calculează ecartul de temperatură pentru fiecare caz in parte cu relatia:
Δt= 0,86 Q/D (°C), unde:
Q = necesarul de caldura (W)
D = debitul de apă prin tub (l/h)
Se selectează acele cazuri în care ecartul de temperatură între tur și retur este în plaja de valori cuprinsă între 4 ÷ 8° C (recomandabil în jur de 50 C).
8. Cu cazurile selectate se obține din diagram 2 cedarea totală de căldură a întregului tub. Se va reține ca soluție valabilă cea în care cedarea de căldură totală pe tub este egală (sau apropiată) cu valoarea necesarului de căldură al camerei (sau a circuitului în cauză).
Figura 29.Diagrama 1
Figura 30. Diagrama 2
Figura 31. Diagrama 3
Figura 32. Diagrama 4
Figura 33. Diagrama 5
Figura 34. Diagrama 6
Figura 35. Diagrama 7
Pentru calculul practic al instalației de încălzire prin pardoseală se folosesc diagrame de dimensionare care cuprind:
Interdependența și raportul între sarcina termica specifică și supratemperatura medie a agentului termic;
Interdependența și raportul între pasul de montaj și finisajul pardoselei;
Sistem de încălzire tradițional Sistem de încălzire prin pardoseală
Din diagrama se poate citi temperatura agentului termic și se poate calcula diferența dintre temperatura pe tur si retur functie de:
pasul de montaj;
sarcina termică;
rezistența termică;
temperatura de tur.
Din nomograma de dimensionare, funcție de sarcina termică necesară pentru fiecare încăpere, s-a determinat pasul de montaj pentru tuburile Rautherm-S, acesta fiind de 15 si 20 cm pentru încăperile de locuit funcție de necesarul de caldură pentru fiecare cameră în parte.
Având în vedere lungimile de tuburi necesare pentru încălzirea încăperilor, și faptul că tuburile Rautherm au unitatea de împachetare de 120 m, se vor cupla mai multe încăperi care vor fi încălzite cu același circuit.
La realizarea instalației de încălzire în pardoseală se va folosi Tubulatura REHAU – țeava de încălzire RAUTHERM – S rezistentă la temperaturi de până la 110 C, care se va monta pe o placa cu nuturi.
Se vor folosi distribuitori/colectori care asigura echilibrarea hidraulica a instalatiei
Alte componentele utilizate sunt:
robinet sferic pe tur si pe retur;
piesă de capat cu rol de aerisire/golire;
suport zincat cu mansoane din cauciuc;
debitmetru pe tur;
ventil termostat pe retur;
Poziționarea conductelor
1. Serpentina se înglobează într-o placă de beton având masa de cel puțin 350 kg/m3 de beton așezată pe un strat izolant.
2. Dimensiunile plăcii din beton în care se înglobează serpentina trebuie să aibă forme și dimensiuni astfel încât dilatația acesteia să nu conducă la apariția unor fisuri.
3. În pardoseală se prevede o plasă metalic anti-comprimare plasată sub țevi la cel puțin 1,5 cm de la suprafața inferioară a plăcii finite.
4. Distanța minimă, între generatoarea superioară a țevii și suprafața brută a plăcii este de 30 mm.
5. Distanța minimă, între generatoarea inferioară a conductei și suprafața elementelor portante de rezistentă este de 20 mm.
6. Fiecăruia dintre rosturile de dilatare ale planșeului suport trebuie să îi corespundă un rost de dilatare a plăcii încălzitoare.Rosturile din construcția clădirii nu trebuie să fie străbătute de către elementele instalației de încălzire.
7. Rosturile de dilatare ale plăcilor încălzitoare traversează toată grosimea plăcii și se realizează la fiecare 150 m2. Lungimea maximă a plăcii încălzitoare este de 15 m.
8. Serpentina încălzitoare nu va traversa rosturile de dilatare ale plăcilor încălzitoare
9. Coloanele vor fi poziționate în conformitate cu normativul pentru proiectarea și executarea instalațiilor de încălzire central I 13-2/2002.
10. Serpentina trebuie amplasată la mai mult 40 cm de zidurile finisate exterioare.
Pompa de căldură sol – apă
Puterea de încălzire = Puterea ”rece” + Puterea absorbită
(energia din mediul înconjurător) (pompa de căldură)
Toate parțile componente ale instalației trebuie coordonate optim pentru a obține o funcționare perfectă și pentru a atinge un indice de eficiență maxim ( indice de lucru anual).
7.6. Alegerea PDC sol – apă funcție de puterea de încălzire necesară totală
Stabilirea necesarului de căldură pentru încălzire (= puterea de încălzire) se face după normativele în vigoare care conțin necesarul de căldură de transmisie și aerisire.
Rezultă în mare urmatoarele valori (necesar de caldura W/m²):
constructie veche cu izolație corespunzatoare perioadei când a fost construită =75 W/m²
construcție nouă cu o bună izolație = 50 W/m²
casă eficientă = 30 W/m²
Rezultă, în cazul de față, o putere termică de încălzire necesară de 200 mp x 50 W/m2 = 10 kW.
Se preconizează aerisirea controlată a încăperilor cu recâștigarea de căldură, aceasta din urmă acoperă o parte a necesarului de căldură.
La căldura din sol, necesarul annual de putere absorbită pentru încălzire în kWh/an arată de câtă energie pentru încălzire avem nevoie pe parcursul unui an. De acest lucru se ține cont la realizarea colectoarelor de pământ și alegerea pompei termice potrivite. Este valabilă supoziția că 50% din necesarul anual de încălzire se folosește în prima jumătate a perioadei de încălzire.
Se iau în calcul folosirea tarifelor diferențiate a energiei electrice.
Folosirea tarifului diferenșiat implică oprirea instalației în perioada zilei când curentul este cel mai scump. Curentul nu se va folosi 3 x 2 ore în decurs de 24 de ore. În consecință, încălzirea zilnică din această perioadă trebuie compensată în orele când avem la dispoziție current ieftin.
Calculul teoretic la 3 x 2 ore întrerupere de alimentare cu curent:
Necesar de caldura calculat fără întrerupere: 7.9 kW
Intrerupere maxima: 3x2ore=6 ore intrerupere.
Rezultă→ alimentare: 18 h.
Necesar de căldură teoretic cu întrerupere:
Q total = 7.9 kW x 24 h = 10.53 kW
18 h
Calculul necesarului de căldură are în vedere temperature minimă exterioară și încălzirea concomitentă a tuturor încăperilor. Din această cauză,în practică o suplimentare cu 20% în cazul încălzirii prin pardoseală la o casă bine izolată este suficientă:
10.53 kW x 1,2 = 12,64 kW
La prepararea apei calde menajere cu pompa termică pentru încălzire avem un consum mediu la o casă familial de 0,25 kW/ persoană.
4 persoane x 0,25 kW = 1 kW
Dacă s-a stabilit puterea de încălzire necesară totală pentru pompa termică, poate fi ales tipul pompei termice pe baza datelor tehnice.
Se alege o PDC sol – apă cu colector plan având o putere maximă de 15 kW, tip REHAU GEO CC 15 kW, cu răcire pasivă integrată (putere răcire 6-18 kW)
Dimensionarea sursei de căldură -colectorului amplasat în sol.
Solul are proprietatea că poate acumula și menține energia solară pe o perioadă mai lungă și astfel la o funcționare a pompelor de caldura cu eficiență ridicată.
Temperatura solului variază în stratul superior în funcție de anotimp (fig. 16). Imediat ce se coboară sub nivelul de îngheț, aceste variații sunt mult mai reduse.
Sistemul de utilizare a căldurii recuperate din sol este compus din:
instalația de captare a căldurii din sol;
o instalație de preparare a agentului termic folosind o pompa de căldură cu compresie.
Mărimea suprafeței necesare de sol depinde foarte mult de proprietațile termofizice ale solului și de energia radiantă, adică de condițiile climatice. Capacitatea de acumulare și conductivitatea termică sunt cu atât mai mari cu cât solul este umectat suficient cu apă, cu cât cantitatea de componente minerale este mai ridicată și cu cât cantitatea de este mai redusă.
Dimensiunea instalației sursei de căldură se orientează după puterea de răcire a PDC (tip, indice de eficiență prevăzut) și după puterea de extragere a căldurii specifice a solului. Lucrul de extragere anual este calculat pentru o perioadă de încălzire de 1.700 – 2.000 ore de lucru pe an.
Se = Q0/qe
Unde:
Se = suprafața de teren necesară colectorilor orizontali (m2)
Q0 = puterea de răcire a pompei,
qe = puterea de extracție a solului , e = 1…5 în funcție de tipul de sol conform tabelului 7.
Q0 = Qc – Pel
Q0 – Puterea de răcire (puterea de extragere a căldurii) = Puterea de încălzire – puterea de absorbiție (electrică)
Tabel 7. Valorile puterilor de extracție pentru sol la o distanță de amplasare de cca 0,5 până la 0,7 m
Necesar căldură Qc = 7,91 kW
Putere pentru preparare a.c.m. 4 persoane = 1 kW
Perioada de întrerupere = 3×2 ore
Temperatura sistemului : 45/35 °C
qe = 25 W/m2
Se alege un număr de 6 circuite de tuburi de câte 100 m lungime.
Debitul de circuit pe tuburi Qtuburi = 410 l/h
Rezultatele studiului sunt trecute în următorul tabel.
Capitolul 8. Analiza tehnico-economică a utilizării pompelor de căldură
Influența diverșilor parametri asupra rentabilitatii unei pompe de căldură acționată cu electromotor în comparație cu încălzirea electrică pe de o parte și încălzirea cu cazan cu combustibili fosili pe de altă parte este prezentată în figura 36. La baza realizării acestei diagrame stau anumite ipoteze referitoare la cheltuielile de investiție și la prețurile pentru combustibili fosili.
Figura 36.Domeniul de rentabilitate pentru diverse sisteme de încălzire
Rentabilitatea poate să crească simțitor atunci când coeficientul de performanta al pompei de căldură crește, ca de exemplu de la 3 la 4 după cum se poate vedea din figura 37.
Figura 37.Influența coeficientului de performanță al pompei de căldură asupra rentabilității
Consumul anual de energie se calculează cu următoarele relațiile:
în cazul cazanelor pe combustibili fosili:
Banual = Qanual/ ηanual
în cazul pompelor de căldură:
Banual = Qanual/ µanual
Unde:
Banual este eficiența cu care este produsă căldura
Qanual =17800 kWh/an este consumul anual de energie
µanual este eficiența termică a pompei de căldură (tabelul 8.)
ηanual este randamentul anual mediu al cazanelor
Pentru cazane cu combustibil lichid ηanual este de 0,81…0,83
Pentru cazane pe combustibil gazos ηanual este de 0,81…0,85
Cheltuielile anuale pentru energie se obțin prin multiplicarea consumului anual de energie cu prețurile corespunzătoare pentru energia electrică respectiv combustibil gazos.
C=BanualP [RON]
unde:
C-reprezintă cheltuielile anuale pentru energie în RON
Banual -reprezintă eficiența cu care este produsă căldura în kWh/an
P-reprezintă prețul unui kWh de energie în RON
Tabel 8. Pompa de căldură – Eficiență termică
Un litru de combustibil lichid GPL este echivalentul a 15 kW, prețul unui litru de GPL este de 3,0 RON, deci prețul P al unui kW produs din combustibil lichid este de 0,2 RON.
Un metru cub de gaz metan are prețul de 1,15 RON și este echivalentul a 7,7 kW, prin
urmare prețul P al unui kW produs din gaz metan este de 0,15 RON.
Pretul P al unui kW electric este de 0,5 RON
Pentru cazane cu combustibil lichid :
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ ηanual = 17 800/0,82 = 21 707 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 21 707 x 0,2 = 4 341 RON
Pentru cazane pe combustibil gazos :
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ ηanual = 17 800/0,83 = 21 445 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 21 445 x 0,15 = 3 217 RON
Pentru a putea face o analilză tehnico-economică justă, în cazul pompelor de căldură care funcționează în regim bivalent cheltuielile pentru combustibil trebuiesc calculate fiecare în parte, astfel:
Pentru pompa de căldură aer-apă cu subrăcire normală:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/2,60 = 6 846 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 6 846 x 0,5 = 3 423 RON
Pentru pompa de căldură aer-apă cu subrăcire avansată:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/2,73 = 6 520 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 6 520 x 0,5 = 3 260 RON
Pentru pompa de căldură apă-apă cu subrăcire normală:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/4,15 = 4 289 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 4 289 x 0,5 = 2 144 RON
Pentru pompa de căldură apă-apă cu subrăcire avansată:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/4,43 = 4 018 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 4 018 x 0,5 = 2 009 RON
Pentru pompa de caldura sol-apa cu colectori cu subracire normală:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/3,83 = 4 647 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 4 647 x 0,5 = 2 323 RON
Pentru pompa de căldură sol-apă cu colectori cu subrăcire avansată:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/4,07 = 4 374 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 4 374 x 0,5 = 2 187 RON
Pentru pompa de căldură sol-apă cu sonde cu subrăcire normală:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/4,03= 4 417 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 4 417 x 0,5 = 2 208 RON
Pentru pompa de căldură sol-apă cu sonde cu subrăcire avansată:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual = Qanual/ µanual = 17 800/4,31= 4 130 kWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 4 130 x 0,5 = 2 065 RON
Pentru încalzire electrică cu radiatoare sau aeroterme:
consumul anual de energie se calculează cu relația următoare:
Banual=Qanual = 17 800 KWh/an
cheltuielile anuale pentru energie se calculează cu relația următoare:
C= Banual x P = 17 800 x 0,5 = 8 900 RON
În urma calculelor se observă că, cazanul pe combustibil lichid și cel pe combustibil gazos au cel mai mare consum anual de energie. Acest lucru se datorează randamentelor scăzute ale cazanelor, randamente care sunt subunitare. O ușoară scădere a consumului se sesizează în cazul încălzirii electrice.
Cea mai bună soluție din punct de vedere al consumului anual de energie o reprezintă utilizarea pompelor de căldură, caz în care consumul de energie se poate reduce de până la cinci ori. Se observă o creștere mai pronunțată în cazul pompei aer-apă a consumului de energie fața de celelalte variante de pompe de căldură. Pompa cu consumul de energie cel mai scăzut este pompa de căldură apă-apă, urmată îndeaproape de pompa de căldură sol-apă cu sonde și pompa de căldură sol-apă cu colectori.
Capitolul 9. [NUME_REDACTAT] nivelul [NUME_REDACTAT], cadrul comun la nivelul statelor membre privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile este stabilită în cadrul Directivei 2009/28/CE. [NUME_REDACTAT], cantitatea de energie aerotermală, geotermală sau hidrotermală captată de pompele de căldură este considerată drept energie din surse regenerabile.
Argumentele pentru utilizare pompelor de căldură sunt:
este mai eficientă din punct de vedere economic deoarece diminuează costurile lunare/anuale pentru încălzire;
impactul asupra mediului este diminuat considerabil prin reducerea semnificativă a emisiilor de CO2;
existența unor surse gratuite de căldurăde tipul: aer, apa și sol;
posibilitatea utilizării aceleiași instalații, printr-o simpla inversare a ciclului, pentru răcire în anotimpul călduros;
circuitul geotermal se găsește în pământ, la adăpost de condiții climatice și vandalism;
înlăturarea inconvenientelor provocate de utilizarea combustibililor clasici (transport, stocare, poluare);
se utilizează numai echipamente silențioase;
sistemele geotermale se adaptează practic oricărui tip de clădire, mare sau mică;
nu este necesară utilizarea coșurilor de fum;
având în vedere că nu se folosește flacara deschisă, nu există pericol de explozie;
costuri de mentenanță reduse;
fiabile: termenele de garanție depășesc 25 – 50 ani pentru instalația din pământ și 20 ani pentru pompa propriu zisă;
25% – 50% mai puțină electricitate consumată pentru încălzire.
Astfel, putem concluziona: PDC utilizează resurse curate și naturale, care se regenerează continuu. Diminuează pericolele care pot apărea permanent în cazul transportului altor purtători de energie, cum ar fi petrolul. Reduc dependența de prețurile mereu ridicate și în continuă creștere a petrolului și gazelor. În ceea ce interesează cel mai mult, cine încălzește cu o pompă de căldură reduce costurile cu până la 50%.
Energia geotermală reprezintă o sursă energetică practic inepuizabilă și care, până în prezent, nu a fost suficient studiată și exploatată.
Sistemele geotermale au cele mai mici costuri de operare existente în climatizarea rezidențială sau comercială. Față de un sistem de climatizare electric, costurile sunt scăzute până la 70%, iar în cazul centralelor utilizatoare de combustibili fosili, costurile se reduc cu până la 60%, iar în procesul de răcire al clădirilor, economiile sunt de 30%.
Spre deosebire de alte forme de energie regenerabilă (solară, eoliană) energia geotermala poate fi exploatată în mod continuu, indiferent de condițiile atmosferice.
In cadrul proiectului s-au realizat doua studii de caz. Primul a urmarit utilizarea în cascadă a energiei geotermale extrasă de la o sondă cu debitul de 90 m3 / h, (25 l/s) și o temperatură de 850C pentru asigurarea necesarului de energie termică pentru încălzire treapta I, prepararea apei calde menajere treapta II si incalzirea unor sere treapta III in perioada de iarna si procese de uscare treapta I, prepararea apei calde menajere treapta II si incalzirea unui strand treapta III in perioada de vara.
Al doilea studiu de caz s-a referit utilizarea unei pompe de căldură tip sol – apă cu colectori
plani pentru alimentarea unui consumator rezidențial .Imobilul pentru care s-a proiectat
instalația de încălzire în pardoseală și preparare a apei calde menajere cu ajutorul unei pompe de
căldură este o locuință unifamiliara, în care locuiesc 4 persoane, situată în Bucuresti si este
compusă din 6 camere, o bucătărie, 2 băi, 2 holuri, un grup sanitar și un spațiu tehnic, având
împreună o suprafață utilă de 200 mp
[NUME_REDACTAT] începând cu 1 iulie 2010 a fost susținută promovarea utilizării surselor de energie regenerabilă prin programul privind instalarea sistemelor de încălzire care utilizează energie regenerabilă, inclusiv înlocuirea sau completarea sistemelor clasice de încălzire, denumit popular Programul "[NUME_REDACTAT]", Programul, care se adresează exclusiv persoanelor fizice, constă în acordarea unor sume fixe, în cazul instalării pompelor de căldură, alocarea putând ajunge până la 8 000 lei. In present programul nu mai functioneaza, dar recent ministrul Mediului a anuntat reluarea programului.
De asemenea, în cadrul [NUME_REDACTAT] se regăsește POS [NUME_REDACTAT] Economice,axa prioritară 4, domeniul major de intervenție 4.2. este destinat valorificării resurselor regenerabile de energie pentru producerea energiei verzi. Acest domeniu are ca obiectiv sprijinirea investițiilor în modernizarea și realizarea de noi capacități de producere a energiei electrice și termice, prin valorificarea resurselor energetice regenerabile: a biomasei, a resurselor hidroenergetice (de mică putere), solare, eoliene, a biocombustibilului, a resurselor geotermale și a altor resurse regenerabile de energie.
[NUME_REDACTAT] M., Utilizarea energiei termice, note de curs, 2013-2014
Matei M., Managementul energiei, note de curs, 2013-2014
Matei M., Impactul energiei asupra mediului, note de curs, 2013-2014
Gavriliuc R., Pompe de căldură de la teorie la practică, 1999
SR 1907/1997 , Instalații de încălzire
[NUME_REDACTAT] în pardoseală, [NUME_REDACTAT] 2009/28/CE
Strategia energetică a României pentru 2007-2020
http://www.termo.utcluj.ro/confstud07/lucrari/corbureanu.doc
http://www.rasfoiesc.com/inginerie/constructii/instalatii/INSTALATII-DE-INCALZIRE82.php
http://www.creeaza.com/tehnologie/constructii/Pompe-de-caldura419.php
http://www.scrigroup.com/casa-masina/instalatii/Siteme-de-cogenerare-apa-calda55938.php
http://www.engineering.upm.ro/master-ie/mse/mat_did/elen094/curs/5.%20BILANTCladiri/CAPITOLUL%20VIII.doc
http://archive-ro.com/ro/t/termice.ro/2013-05-11_2062814_9/Pompe_de_caldura_Intrebuintare_Termice_ro/
http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/pompa-de-caldura-apa-apa/
http://gelunechifor.blogspot.com/2011/02/pompe-de-caldura-principii-generale.html
http://cartiere.ro/148081-pompe-de-calduraprincipii-generale
http://forum.softpedia.com/topic/224136-pompe-de-caldura/page__st__936
http://gelunechifor.blogspot.com/2011_02_01_archive.html
http://www.tehnicainstalatiilor.ro/articole/nr_07/nr07_art.asp?artnr=16
http://pompedecaldura2005.ro/echipamente/pompe-de-caldura/pompa-de-caldura-sol-apa/
http://www.centraletermice.com.ro/pompe_caldura_viessmann.html
Pompe de caldura sol-apa, pompa de caldura cu sonde verticale
http://www.ecocaldura.ro/tipuri-pompe-de-caldura/tipuri-de-pompe-de-caldura-1/
http://www.einstalatii.ro/product_info.php?products_id=572&osCsid=27524388bd9ee099b9b4a3683284a0b4
http://www.rasfoiesc.com/inginerie/constructii/instalatii/PROIECT-INSTALATII-DE-INCALZIR91.php
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Utilizarea Energiei Geotermale Pentru Alimentarea cu Caldura a Unor Consumatori (ID: 2247)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.