Pompa de Caldura dateaza de la inceputul sec XX, odata cu inventarea frigiderului. La baza functionarii pompei de caldura, concureaza o serie de fenomene si legi ale fizicii: Principiul al II lea al termodinamicii: „Caldura nu poate trece niciodata de la sine de la un corp cu temperatura mai joasa la unul cu temperatura mai inalta ” (enuntul lui Clausius) precum si descoperirea fizicianului Watt: un gaz comprimat degaja caldura si invers, unul destins – absoarbe caldura.

De ce ne interesezaa pompa de caldura?

In cautarea permanenta a celor mai bune solutii de generare a energiei analizam in acest articol pompa de caldura in toate variantele ei.

Toate straduintele specialistilor de a gasi resurse termice nepoluante sau macar care polueaza in mica masura si trecerea catre utilizarea lor in masa, pentru incalzirea locuintelor au atras atentia catre implementarea transferului de caldura si la aparitia din ce in ce mai celebrei pompa de caldura. Pompa de caldura este, datorita eficientei sale precum si utilizarii unor resurse mai putin poluante decat alte sisteme de incalzire sau racire, una din solutiile preferate ca sistem alternativ de instalatii pentru proiecte case sau cladiri cu consum aproape egal cu zero iar in functie de situatia amplasamentul este folosit la casa activa.

Ce este pompa de caldura ?

In cateva cuvinte putem spune ca pompa de caldura atrage si transfera caldura din una din sursele pentru care este proiectata (fie ca vorbim de pamant, de apa sau de aer) si cu ajutorul unui compresor, exact pe principiul frigiderului, ridica temperatura unui agent frigorific cu punctul de fierbere foarte scazut (undeva la aproximativ -2 °C), transferand  temperatura agentului termic care circula prin instalatia de incalzire indiferent de sistem la corpurile statice utilizate (calorifere, pardoseala, ventilatie, etc). Pompa de caldura se caracterizeaza foarte simplu prin modul de funcţionare foarte apropiat de cel al frigiderelor cu compresor: un gaz comprimat degaja caldura si in sens invers, unul destins, absoarbe caldura.

Cum functioneaza pompa de caldura

Pompa de caldura are nevoie de o sursa permanenta de energie electrica. Este obligatorie conectarea la o sursa permanenta, daca este posibil la reteaua publica, daca nu preferabil, datorita consumului mic la un sistem de panouri solare fotovoltaice sau, de ce nu la turbine eoliene, sisteme alterative, etc. Sursa electrica va alimenta compresorul care comprima agentul de racire, pentru a atinge temperatura folosita la incalzirea si prepararea apei calde menajere. Cand vaporii agentului de racire vor ajunge in condensatorul din pompa de caldura, acesta va fi inconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai scazuta decat temperatura agentului de racire, in stare de vapori, asa ca vaporii se vor raci si vor condensa. In momentul acesta, caldura este preluata de vaporizator inclusiv caldura generata in timpul procesului de comprimare, cantitate considerabila care se elibereaza in condensator si se transfera agentului termic sub forma de energie utila pentru incalzire. Agentul de transfer este intors mai apoi in vaporizator utilizand de cele mai multe ori un ventil de expansiune. Agentul de racire trece  astfel de la presiunea crescuta a condensatorului la presiunea redusa a vaporizatorului. Odata cu intrarea in vaporizator, aici se ating iar valori regasite la inceputul procesului iar circuitul se inchide.

Frigiderele la fel ca si aparatele de climatizare sunt exemple clasice de pompe de caldura deja existente in gospodarii si care functioneaza numai in modul de racire. Un frigider este in realitate doar o cutie bine izolata din punct de vedere termic si cu un sistem de pompa de caldura conectata la aceasta. Bobina vaporizatorului este amplasata in interior si de obicei se gaseste in compartimentul folosit pentru congelare. Caldura este absorbita din congelator si trimisa in exterior, de obicei în spatele sau sub unitatea unde este localizata bobina condensatorului. In mod aproape similar functioneaza si un aparat de aer conditionat care transfera caldura din interiorul unei case spre exterior. Avem asadar de ceva timp sistemul de la pompa de caldura in casele noastre doar ca nu a fost folosit in ambele sensuri.

Pompa de caldura poate fi utilizata fara existenta sau suportul altor surse de caldura.

Dupa criteriul functionarii intalnim pompe de caldura cu regim

• Monovalent: pompa de caldura este singura sursa de incalzire – utilizeaza pentru functionarea compresorului energia electrica de la reteaua publica sau de la alte surse
• Bivalent – paralel: se poate monta si folosi in paralel cu pompa de caldura si o alta sursa de caldura;  cand sursa de caldura paralela este energia electrica, sistemul se numeste bivalent – paralel monoenergetic;
• Bivalent – alternativ: pompa de caldura functioneaza alternativ cu o alta sursa de caldura;
• Bivalent – partial – paralel: pompa de caldura functioneaza in paralel sau alternativ cu o alta sursa de caldura.

Pompa de caldura are un ciclu complet reversibil si poate asigura controlul asupra mediului interior pentru incalzirea in timpul iernii si racirea sau dezumidificarea daca este necesara in timpul verii. Din moment ce pamantul sau aerul din exterior contine intotdeauna caldura de ce sa nu utilizam o pompa de caldura pentru a incalzi si raci  casa? Unul din principiile folosite la pompa de caldura este ca aerul la temperatura de -18 °C are in compozitie aproximativ 85% din energia pe care o contine la 21 °C.

Care sunt tipurile de pompe de caldura

Exista doua tipuri principale de pompa de caldura denumite in functie de sistemul utilizat

• Pompa de caldura cu compresie care functioneaza intotdeauna folosind energia mecanica prin energie electrica
• Pompa de caldura cu absorbție care pot rula si pe caldura ca sursa de energie (prin intermediul de energie electrica sau combustibili).

O serie de surse au fost folosite ca surse de căldură pentru încălzirea.

Pompa de caldura pe sursă de aer (extrage caldura din aerul exterior)

• pompa de caldura aer-aer (transfera energia termica a aerului din interior)
• pompa de caldura aer-apa (transfera energie termica unui rezervor de apa)

Pompa de caldura geotermala (extrage caldura din sol sau din surse similare)

• pompa de caldura geotermala-aer (transfera energia termica catre aerul din interior)
• pompa de caldura sol-aer (solul este sursă de caldura)
• pompa de caldura roca-aer (roca este sursă de caldura)
• pompa de caldura apa-aer (apa ca sursa de caldura)

Pompa de caldura geotermale-apa (transfera caldura unui rezervor de apa)

• pompa de caldura sol-apa (solul este sursa de caldura)
• pompa de caldura roca-apa (roca este sursa de caldura)
• pompa de caldura apa-apa (corp de apa ca sursa de caldura)

Pompele de caldura Sol-Apa

Solutia de tip antigel denumita glicol circula prin circuitul de tevi ingropate in sol al sursei de caldura si preia caldura pamantului prin intermediul unui schimbator de caldura orizontal sau vertical. Aceasta caldura este absorbita este tranferata sistemmului de incalzire al locuintei transfer cu ajutorul unui compresor si transportata la condensator. În condensator apa sistemului de transfer de caldura incorporează caldura absorbita in vaporizator si  este alimentata cu energia la compresor.

In functie de modul in care sunt amplasate captatoarele distingem mai multe feluri de pompe de caldura cu captatoare:

–  plane: acestea au sistemul de captatoare in diverse forme (U sau spirale) ingropate la o adancime medie de 1-2m. Este un sistem economic de mare eficienta dar nu poate fi ingropat in orice sol si are nevoie de o intindere aproape dubla fata de aria locuibila.

– de adancime: acestea au in component sonde montate la adancime de 50-100m si are o eficienta foarte ridicata. Costurile de momntaj sunt semnificative datorita forajelor care au preturi variabile intre 100-300 lei / metru. Sunt utilizabile doar daca solul o permite.

– cu vaporizare directa: au un circuit special de captare in plus fata de cele plane si din acest motiv sunt mai eficiente sau pot ocupa spatii mai reduse.

Pompele de caldura Apa-Apa

Caldura din apa subterana pompata sau din apele de suprafata este utilizata la transferul de caldura  transportata prin compresor catre condensator.  Odata ajunsa acolo se utilizeza sistemul pompelor de cadura Sol-Apa. Acestea sunt cele mai eficiente folosind cadura din surse geotermale cu temperaturi de peste 8 grade Celsius dar si cele mai dificil de utilizat atat datorita disponibilitatii resursei dar si din cauza reglementarilor legale de fosire a acesteia. Pompa de caldura apa-apa are un rol deosebit de important in industrie sau in exploatarea la maximum a izvoarelor geotermale. Apele reziduale sau apele geotermale cu temp. maxime de 28-30 º C pot fi cu succes valorificate In cazul apelor geotermale izvorul poate fi multiplicat prin folosirea in cascada a mai multor PDC. Evident se va tine cont de calitatea apei, acest impediment putind fi evitat prin folosirea unor schimbatoare de caldura adecvate (anticorosive).

Pompa de caldura apa-apa poate fi utilizata si prin exploatarea apei din lacuri, fluvii, ape de tunel, baraje (care au temperaturi > 8 º C). Sistemul apa-apa este numit si sistem de captare cu bucla deschisa. Viteza de curgere a apei prin vaporizator nu trebuie sa depaseasca 0.8m/s Acest tip de pompa de caldura poate realiza cel mai ridicat COP dintre toate tipurile la care ne referim.Un astfel de sistem apa-apa poate ajunge usor la un COP=5 si chiar il poate depasi daca este bine realizat si corect dimensionat. De asemenea poate furniza puteri impresionante ajungand la mii de kW, pe o singura unitate sau cupland mai multe unitati de putere mai mica. Cu toate acestea, pana la ora actuala, cel putin in Europa, nu este cea mai raspandita pompa de caldura. Motivele sunt mai multe: calitatea apei trebuie sa indeplineasca practic calitatea apei potabile; apa extrasa din straturile freatice trebuie reinjectata in sol (putul de injectie trebuie sa fie amplasat la min. 15m in aval fata de directia de curgere a apei in panza freatica) pentru fiecare kW termic instalat este necesar un volum minim de apa de 160litri/ora, adica 0.16mc/ora (la min 8 º C), debitul trebuind asigurat in orice moment de putul de extractie;. in UE exista reglementari foarte stricte privind acest gen de foraje.

Pompele de caldura Aer-Apa

Caldura din aerul exterior furnizat cu un ventilator sau aerul din sistemul de ventilatie este transportat prin vaporizator catre mediu de transfer de caldura si apoi prin compresor la condensator. Acest sistemul de transfer de caldura este alcatuit dintr-un circuit lichid, utilizat pentru incalzirea locuintei si / sau pentru producerea apei calde menajere. Aceste sisteme sunt putin eficiente, in varianata lor actuala pompele de caldura apa-apa au cel mai mic raport de eficienta astfel ca si costul este mai redus. Aceste pompe nu pot functiona monovalent la temperaturi sub 15 grade Celsius.

Pompele de caldura Aer-Aer

Caldura din aerul exterior furnizat cu un ventilator sau aerul din sistemul de ventilatie este livrat prin vaporizator catre mediu de transfer de caldura si transportata prin compresor la condensator. Sistemul de transfer de caldura este compus dintr-un sistem de conducte de aer sau din aparate specifice utilizate pentru incalzirea cladirii. Ele sunt folosite in cazuri rare, la sistemele de incalzire, datorita eficientei scazute a agentului termic aerul (sistemele cunoscute sub denumirea generica de „aer conditionat” sunt de fapt pompe de caldura aer-aer iar COP-ul lor este sub 3).

Pompele de caldura cu vaporizare directa

La sistemul cu vaporizare directa nu mai exista un circuit separat de captare, circuitul agentului frigorific avand rolul de circuit de captare, fiind ingropat direct in sol, devenind captatorul „sursei reci”. Acest circuit „direct” este realizat din teava de cupru fara suduri si cu un manson de protectie din polietilena. Circuitul se ingroapa la cca. 1-2m si se aseaza pe un pat de nisip. Sistemul are un COP foarte ridicat, fiabilitate mai mare fata de sistemul cu captatoare plane, se micsoreaza suprafata ocupata de captatoare fata de sistemul cu captatoare plane. Are insa o variatie de putere limitata (astfel de sisteme in momentul actual nu depasesc 30-50kW).

Pentru a putea alege corect o pompa de caldura pentru incalzire, trebuie sa fie cunoscute:

• marimea obiectivului ce urmeaza a fi incalzit (suprafata locuibila si incalzita, inaltimea medie a incaperilor). Spatiul disponibil (neconstruit) din jurul obiectivului.
• zona geografica in care se afla obiectivul;
• posibilitatile de instalare a altor sisteme de incalzire (gaze, combustibil lichid,gaz lichefiat, etc.) ;
• posibilitatile de la fata locului de valorificare a „sursei reci” (apa, aer,sol); existenta altor surse de incalzire (pentru stabilirea regimului de functionare al pompei de caldura)
• conditiile de alimentare cu energie electrica (retea mono- sau trifazata, puterea electrica maxima permisa pe racordul electric).

Cat costa pompa de caldura?

Fara dubii costul utilizarii unui sistem de incalzire cu pompa de caldura este de departe  semnificativ mai redus fata de cel al unui sistem de incalzire clasic. Diferenta vine de la un consum de 1kw putere electrica la pompa de caldura se transforma sau poate produce 3 – 5 kw in putere termica. Un raport foarte bun comparativ cu alte solutii clasice.  Performanta energetica observata la pompa de caldura este data de COP si este definit ca raportul dintre cantitatea de caldura eliminata la condensator si energia electrica consumata de compresor. Din punct de vedere al protectiei mediului, in comparatie cu pompa de caldura dar si considerand  confortul in utilizare, putem spune ca nu sunt deloc neglijabile reziduurile ramase la incalzirea cu combustibili solizi si nici perspectiva cresterii pretului lor constanta si previzionata a gazelor naturale, a combustibililor lichizi sau a energiei electrice.

In diverse programe de incurajare a consumului responsabil precum „Casa Verde”, proprietarii care si-au echipat locuintele cu un sistem bazat pe pompa de caldura au putut beneficia de o finantare din partea statului, ultima data aceasta a fost de 8000 lei.  Au fost eligibile pentru decontare si cheltuielile cu montajul sau punerea in functiune a sistemului dar si taxa pe valoare adaugata, TVAul acestor cheltuieli.

Pretul pompei de caldura de tip Sol-Aer variaza intre 2400 euro pentru o putere de aproximativ 7,5 Kw si poate ajunge la 12.000 de euro pentru cele de aproximtiv 50Kw. Se poate considera un pret de aproximativ 280 euro / Kw in functie de necesar si suprafata care se doreste a fi incalzita.

Pretul pompei de caldura Apa-Apa este mediu comparativ cu celelate pompe de caldura si este cuprins intre 1900 euro pentru cele mici de 6 Kw si pot sjunge la 15.000 euro pentru cele de 50 Kw. Se poate considera un pret de aproximativ 260 euro / Kw in functie de necesar si suprafata care se doreste a fi incalzita.

Pretul pompei de caldura aer-apa este cel mai mic comparativ cu celelate sisteme ale pompelor de caldura si variaza intre 2100 euro / 6 Kw si poate ajunge la 9000 euro pentru 35 Kw. Se poate considera un pret de aproximativ 240 euro / Kw in functie de necesar si suprafata care se doreste a fi incalzita.

Alte observatii importante

Conform normelor europene, calculul sarcinii termice necesare se raporteza la metrul patrat de suprafata, [W/mp], luandu-se in calcul inaltimea maxima a incaperii H=3m (inaltime tipica majoritatii incaperilor- In cazuri atipice se vor face corectiile necesare).

De exemplu daca o cladire are un necesar termic de 50W/mp si o suprafata locuibila necesara a fi incalzita de 350mp (H=3m) puterea termica a centralei termice (indiferent de tipul ei) va fi de 250mpx50W/mp = 12500W=12.5kW. (Inaltimea se specifica doar in cazurile atipice)

Dimensionarea corecta a unei pompei este esentiala pentru durata ei de serviciu . O pompa de caldura supradimensionata, pe langa faptul ca e mai scumpa, are un regim incorect de functionare cu porniri si opriri mai dese. O pompa de caldura subdimensionata, functioneaza mai mult si cu pauze mci. Totusi, este preferabil, daca nu exista alternativa, sa se subdimensioneze pompa (in anumite limite) decat sa se supradimensioneze.

Pentru o casă de 200 mp suprafaţă utilă, unde este suficientă o pompă de căldură sol – aer de 8 – 10 Kw, costul total este de circa 60.000 lei si difera in functie de marca aleasa.

Datorita pretului relativ ridicat al pompelor de caldura, este neeconomic sa fie incalzite spatii prost izolate care solicita puteri termice ridicate. Este preferabila izolarea cladirii decat marirea puterii sursei de incalzire. La stabilirea puterii unei pompe de caldura reversibile se tine seama de puterea de racire ( EER). Puterea de racire este intodeauna mai mare decat puterea de incalzire.

Spre exemplu normele DIN 4701 referitoare la conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca cladirile incalzite din Germania sunt, in evolutia lor:

• 45-60 W/mp constructii noi (reglementare din 2002)
• 50-60 W/mp constructii noi (reglementare din 1995)
• 70-90 W/mp constructii realizate inainte de 1995
• 120 W/mp constructii vechi realizate fara nici un fel de reglementari

In cazul unei cladiri cu izolatie termica foarte slaba investitia intr-o pompa de caldura nu este rentabila.

Boilere cu pompa de caldura

In plus fata de cele precizate anterior in acest articol, credem ca este important de tratat separat boilerele cu pompa de caldura datorita potentialului larg de acoperire pe care il ofera. Acestea funcţioneaza pe principiul pompelor de caldura aer – aer, apa incalzita fiind stocata intr-un boiler ce face corp comun cu pompa de caldura. Pompa de caldura aer – aer are performanta maxima atunci cand temperatura ambientala este peste 15 grade Celsius, dar poate functiona si la temperaturi de -5 grade Celsius. Daca se alege corect locul in care se monteaza boilerul cu pompa de caldura, intr-o camera in care mai exista o centrala termica sau alte echipamente ce genereaza caldura, de la frigider pana la servere, etc, se poate asigura functionarea optima a acestor boilere cu pompe de caldura, de-a lungul iernii cu costuri reduse. Boilerele sunt echipate si cu rezistente electrice pentru situatiile in care este necesara o incalzire rapida a apei. O alta optiune utila tine de faptul ca fluxul de aer refulat poate fi utilizat pentru scaderea umiditatii aerului sau pentru racirea cu cateva grade a incaperii in care este instalat boilerul cu pompa de caldura.

Surse utilizate pentru acest articol

1. Remus Răduleț și colab. Lexiconul Tehnic Român, București: Editura Tehnică, 1957-1966.
2. The Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, 2004
3. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, de Howell and Buckius, McGraw-Hill, New York
4. Brosura Pompa de caldura – detalii complete