Lecția 1.2
Pompele de căldură și aplicațiile acestora
Principii de bază, clasificare, aplicații, avantaje, limitări și funcționarea pas cu pas a pompei de căldură.
Definiție
Pompele de căldură
Pompele de căldură sunt echipamente termice cu consum redus de energie electrică, care transferă energia sub formă de căldură dintr-o sursă de temperatură joasă (aer, apă, sol) către un spațiu cu temperatură mai ridicată. Ele funcționează pe principiul ciclului termodinamic invers Carnot și sunt considerate soluții eficiente și sustenabile pentru încălzire, răcire și producerea apei calde.
Clasificare
Clasificare după sursa de energie
Aer-apă
Captează energia din aerul exterior și o transferă în sistemul de încălzire cu apă (radiatoare, încălzire prin pardoseală).
Aer-aer
Extrag energia din aerul exterior și o transferă în aerul interior (similar aparatelor de aer condiționat).
Apă-apă
Folosesc apa subterană, râurile sau lacurile ca sursă de căldură.
Sol-apă
Utilizează energia geotermală de mică adâncime prin schimbătoare subterane (sonde verticale sau orizontale).
Utilizări
Aplicații principale
Încălzirea spațiilor
- Locuințe, clădiri comerciale și industriale.
- Integrare cu sisteme de încălzire prin pardoseală sau radiatoare joase.
- Alternativă la centralele pe gaz sau combustibil solid.
Răcirea spațiilor
- Pompele de căldură reversibile pot funcționa și ca aparate de aer condiționat.
- Soluție eficientă pentru clădiri cu necesar termic variabil pe tot parcursul anului.
Producerea apei calde menajere
- Stocarea energiei într-un boiler pentru consum domestic.
- Reducerea costurilor față de încălzirea electrică clasică.
Aplicații industriale
- Procese tehnologice care necesită aport de căldură la temperaturi moderate.
- Recuperarea căldurii reziduale din instalații și reutilizarea ei.
Integrare cu surse regenerabile
- Combinate cu panouri fotovoltaice pentru a asigura un consum aproape zero de energie din rețea.
- Soluție-cheie pentru clădirile nZEB (nearly-zero energy buildings).
Avantaje
- Eficiență ridicată (coeficient de performanță - COP de 3-5).
- Reducerea emisiilor de CO2 comparativ cu încălzirea pe combustibili fosili.
- Versatilitate (încălzire, răcire, apă caldă).
- Integrare bună cu surse regenerabile.
Limitări
- Investiție inițială ridicată.
- Performanța scade la temperaturi exterioare foarte scăzute (în special pentru pompele aer-apă).
- Necesitatea unui sistem de izolație termică adecvat al clădirii.
Principiu
Principiul de funcționare al pompei de căldură
Pompa de căldură este un sistem de încălzire sustenabil care folosește o tehnologie eficientă pentru a valorifica energia din mediul nostru. Mediul oferă surse inepuizabile de energie, care pot folosi pompa de căldură de încălzire. Simplu explicat, pompele de căldură atrag energie din aerul înconjurător, sol sau apele subterane și valorifică căldura extrasă pentru încălzire și apă caldă, transportând-o în spațiile de locuit. Cu ajutorul energiei ambientale gratuite, pompa de căldură poate atinge ușor și eficient un nivel ridicat de confort termic în casă. Tehnologia pompei de căldură se bazează schematic pe același principiu, deși tipul de sursă de energie utilizată diferă.
Funcționarea unei pompe de căldură poate fi comparată cu principiul unui frigider, cu diferența că se generează mai degrabă căldură decât rece. În timp ce un frigider extrage căldura din interiorul său și o disipează în exterior pentru a răci alimentele, pompa de căldură extrage căldura din mediul exterior al casei și o folosește pentru a încălzi spațiile de locuit.
Structură
Structura și principiul pompei de căldură
Structura unei pompe de căldură este compusă din trei componente, cu care funcționează sistemul pompei de căldură:
- sursa de căldură (aer, pământ, apa subterană), din care se extrage energia din mediu;
- pompa de căldură, care utilizează căldura extrasă din mediu prin intermediul tehnologiei pompei de căldură;
- sistemul de distribuție și stocare a căldurii, care distribuie sau stochează căldura în spațiile de locuit.
Dar ce face exact o pompă de căldură pentru a transforma căldura mediului în energie termică utilizabilă? În interiorul pompei de căldură, un principiu tehnic constând din patru etape rulează continuu într-un proces în buclă închisă. În ciclul repetat al pompei de căldură, evaporarea, compresia, lichefierea și expansiunea unui agent frigorific au loc pentru a genera energie de încălzire. Agentul frigorific lichid absoarbe energia termică din mediu și trebuie ridicat la un nivel de temperatură care poate fi utilizat de sistemul de încălzire. Acest lucru se face folosind puțină energie electrică. Cu cât diferența de temperatură dintre sursa de energie și căldura utilă necesară este mai mare, cu atât trebuie aplicată mai multă putere de antrenare electrică.
Ciclu
Principiul de funcționare al pompei de căldură
-
1
Evaporare
La așa-numitul evaporator, căldura din mediu este transferată în circuitul pompei de căldură. Un agent frigorific este responsabil pentru absorbția și transportul energiei termice. Absoarbe căldura mediului în stare lichidă, determinând-o să se evapore și să devină gazoasă.
-
2
Compresie
Într-un compresor cu curent, numit compresor, agentul frigorific gazos este comprimat, crescând foarte mult presiunea și temperatura. De asemenea, puteți observa această parte a principiului de funcționare al unei pompe de căldură într-o pompă de aer pentru bicicletă, care se încălzește atunci când pompați aer. De aici și termenul „pompare” în legătură cu o pompă de căldură.
-
3
Lichefiere
În a treia etapă, agentul frigorific comprimat și încălzit își transferă căldura circuitului de încălzire, astfel încât să se răcească și să devină din nou lichid. Acest lucru se întâmplă în condensator cu ajutorul unui schimbător de căldură. Căldura este apoi stocată în rezervorul de apă caldă și tampon al pompei de căldură.
-
4
Depresurizare
În etapa finală, presiunea agentului frigorific lichid este redusă din nou într-o supapă de expansiune sau de declanșare, făcându-l să se răcească în continuare până când atinge temperatura inițială. Ciclul pompei de căldură poate începe din nou. Poate ați observat că lichidele se răcesc atunci când sunt presurizate și presiunea este redusă în cazul cutiilor de pulverizare. Cutia devine vizibil rece când pulverizați o perioadă mai lungă de timp.
Detaliere
Funcționare pas cu pas
Captarea căldurii (evaporatorul)
- Agentul frigorific (lichid la temperatură scăzută) circulă prin serpentinele evaporatorului.
- Aerul exterior, solul sau apa subterană conțin întotdeauna energie termică, chiar și la temperaturi negative.
- Această căldură este absorbită de agent, care se evaporă (devine gaz).
Comprimarea (compresorul)
- Gazul aspirat din evaporator intră în compresor.
- Compresorul îl comprimă, crescându-i presiunea și temperatura.
- În acest punct, agentul frigorific are o temperatură mai mare decât mediul ce trebuie încălzit.
Transferul către clădire (condensatorul)
- Agentul frigorific fierbinte circulă prin condensator.
- Acolo cedează energia termică către apa din instalația de încălzire (radiatoare, pardoseală, boiler) sau către aer.
- În timpul acestui proces, agentul se răcește și se condensează, trecând din faza gazoasă în faza lichidă.
Relaxarea agentului (supapa de expansiune)
- Agentul lichid, încă la presiune ridicată, trece prin supapa de expansiune.
- Presiunea și temperatura lui scad brusc.
- Devine un amestec lichid-gaz rece, pregătit să intre din nou în evaporator pentru a prelua căldură.
Ciclul se repetă continuu, asigurând transferul de energie din mediul exterior către interiorul clădirii.
De reținut
Idei esențiale
- Pompele de căldură transferă energia sub formă de căldură dintr-o sursă de temperatură joasă către un spațiu cu temperatură mai ridicată.
- Sursele principale pot fi aerul, apa sau solul.
- Pompele de căldură pot fi folosite pentru încălzire, răcire și producerea apei calde menajere.
- Ciclul pompei de căldură include evaporarea, compresia, lichefierea și depresurizarea agentului frigorific.
Verificare
Întrebări de recapitulare
- Ce este o pompă de căldură?
- Care sunt principalele tipuri de pompe de căldură după sursa de energie?
- Care sunt aplicațiile principale ale pompelor de căldură?
- Care sunt cele patru etape ale principiului de funcționare?
- De ce performanța poate scădea la temperaturi exterioare foarte scăzute?