Pompele de căldură

Pompa de caldură este un echipament care extrage căldura dintr-o zonă și o eliberează în alta, folosind propietatea gazelor de a ceda caldură la comprimare și de a absorbi căldura la vaporizare, comprimarea realizându-se consumând energie electrică. Atunci când funcționează în regim de încălzire, pompa de căldură extrage căldura dintr-un mediu exterior (aer, apă , sol) și o eliberează în interiorul locuinței, iar atunci când funcționează în regim de răcire aceasta extrage caldura din interiorul locuinței și o cedează mediului exterior. În imaginea următoare este sugerată funcționarea în regim de încălzire a unei pompe de căldură care care preia căldura din aer.

Gazul folosit pentru transferul de caldură poartă numele de agent frigorific și are ca principală propietate temperatura de fierbere în jurul valori de -20 C. Acesta în stare de vapori la presiune joasă (1.7 bar) preia căldura de la sursa de căldură ( aer în acest caz), mărindu-și temperatura ( în exemplu de la -20C la 30C). Prin comprimare, proces care se realizează consumând energie electrică, gazul își mărește foarte mult temperatura, ajungând la 73.50C în exemplul nostru, datorită creșterii presiunii (de la 1.7 Bar la 13.5 Bar) a acestuia. O parte din aceasta căldura este cedată agentului termic care circulă prin instalația de încălzire a locuinței prin intermediul unui schimbător de căldură. În acest proces temperatura agentului frigorific compresat scade până la 48C. La trecerea prin ventilul de expansiune presiunea agentului termic scade în mod natural de la 13.5 Bar la 1.7 Bar acest lucru conducând și la scăderea temperaturii acestuia la temperatura inițiala -2°C. De aici, ciclul se repetă.

Eficiența unei pompe de caldură depinde de diferența de temperatură dintre sursa de căldură și agentul termic, astfel cu cât diferența de temperatură este mai mică cu atât pompa are o eficiență mai mare. Eficiența unei pompe de căldură este reprezentată numeric printr-un coeficient numit Coeficient de Performanță ( COP ), care reprezintă raportul dintre energia termică produsă și energia electrică consumată pentru producerea acesteia. Coeficientul de performanță variază între 2.5 și 5.4 în funcție de temperatura sursei de căldură, temperatura la care trebuie încălzit agentul termic, dar și tipul pompei de căldură.

Pompele de căldură pot prelua căldura din aer, sol sau apă, în funcție de acest lucru ele putând fi clasificate astfel:

  • Pompe de căldură Aer-Aer
  • Pompe de căldură Aer-Apa
  • Pompe de căldură Sol-Apa
  • Pompe de căldură Apa-Apa


Pompele de căldură Aer-Aer

Cea mai răspândită pompă de căldură Aer-Aer este aparatul de aer condiționat, dar există și modele mai complexe pentru aplicații comerciale sau industriale. Coeficientul de performanță al acestor pompe este situat în jurul valorii 3, acesta modificându-se puternic cu variația temperaturii exterioare. În cazul în care pompa de căldură aer-aer este una cu funcționare reversibilă ( funcționează atât în regim de încălzire, cât și în regim de răcire), la funcționarea în regim de răcire, atunci când temperatura exterioară atinge valori negative eficiența scade foarte mult, din această cauză ea poate fi folosită doar 70-80 % din an.

Dacă se dorește folosirea unui sistem centralizat pompa de căldură aer-aer trebuie conectată la un sistem de ventilație.

Pompele de căldură Aer-Apa

Pompa de căldură aer-apă este de obicei formată din două unități; una exterioară unde se găsește circuitul vaporizatorului, pe unde un ventilator electric face să treacă o cantitate mare de aer, și o unitate interioară ce conține compresorul și schimbătorul de căldură dintre agentul frigorific și agentul termic. Există însă și în varianta monobloc în care aerul este adus la pompă și evacuat prin tubulaturi cu ajutorul unui ventilator.

Acest tip de pompe de căldură funcționează cu succes o mare parte din an, ultimile generații întâmpinând probleme în funcționare abia la temperaturi de -15C. Totuși o pompă de caldură aer-apă are nevoie de o sursă suplimentară de căldură pentru a putea încălzi și prepara apa caldă menajeră în zilele cu temperaturi foarte scăzute ale anului.

AVANTAJE
  • simplu, ușor de instalat;
  • nu necesită pregătiri speciale la instalare;
  • se poate instala oriunde;
  • se poate adapta usor pentru a completa sistemul existent de încălzire;
  • este cea mai ieftină dintre tipurile prezentate;
  • se poate monta atât în interior, cât și în exterior


DEZAVANTAJE
  • COP scăzut: 2.6-3.5 (la o temperatură de 2 °C a aerului);
  • COP dependent de temperature;
  • necesită sistem alternativ de încălzire;
  • în cazul unei instalații interioare, produce zgomot circa 54 dB


Pompele de caldura Sol-Apa

Solul de la o anumită adâncime are o temperatură constantă tot timpul anului, iar la 1.5 m față de suprafață temperatura solului are valori între 5 și 15 grade, interval în care pompa de caldură funcționează la un COP apropiat de cel maxim. Există mai multe tipuri de pompe sol-apă în funcție de modul de așezare în sol a conductelor ce formează vaporizatorul.
Principalele moduri de așezare sunt.

Colectori verticali:

AVANTAJE
  • COP bun : 4.5-5 (la o temperatura de 0 °C a solului);
  • COP stabil;
  • folosibil și pentru răcire pasivă;
  • există resurse și pentru viitor;
  • se poate instala practic oriunde;
  • nu necesită sistem alternativ de încălzire.


DEZAVANTAJE
  • instalare costisitoare, necesită forare de puț
  • prețul manoperei mare la instalare.

Colectori orizontali:

AVANTAJE
  • COP bun: 4-4.5 (la o temperatură de 0 °C a solului);
  • COP stabil
  • folosibil si pt racire pasiva
  • există resurse și pentru viitor
  • se poate instala practic oriunde
  • nu necesita sistem alternativ de incalzire

DEZAVANTAJE
  • poate sa deranjeze radacina plantelor (mentineti cel putin 2m distanta)
  • instalare costisitoare, necesita retea de tevi ingropate in pamint
  • Pret pentru manopera mare la instalare


Pompele de căldură apă-apă

Pompele de căldură apă-apă funcționează cu cel mai ridicat COP dintre toată pompele de căldură, însă nu pot fi instalate oriunde. Astfel, în zona în care se instalează apa freatică trebuie să se găsească la adâncimi relativ reduse, care să permită obţinerea autorizaţiei de foraj, adică maxim 50-70m. Se recomandă totuşi ca adâncimea de la care este preluată apa freatică, în cazul locuinţelor familiale, să nu depăşească 15m, pentru că la adâncimi mai mari cresc mult costurile pentru realizarea celor două foraje, precum şi costurile de exploatare datorate înălţimii ridicate de pompare a apei freatice. Distanţa dintre cele două puţuri trebuie să fie de minim 5m, iar amplasarea trebuie făcută astfel încât sensul de curgere a apei să fie dinspre puţul prin care este absorbită apa, spre cel în care este evacuată apa. Nu este posibilă utilizarea ca sursă de căldură, a apei din lacuri freatice, deoarece în acest caz există pericolul îngheţării apei în jurul sondelor, ceea ce împiedică funcţionarea pompei de căldură.

AVANTAJE
  • cel mai mare COP : 5-7 (la o temperatură de 10 °C a apei)
  • COP stabil
  • folosibil și pentrurăcire pasivă
  • nu necesită sistem alternativ de încălzire

DEZAVANTAJE
  • folosește cantități imense de apă
  • cantitate de manoperă extrem de mare la instalare
  • în cazul în care sursa de apă seacă, nu mai poate fi folosită