Atuurile pompelor de caldura ASG
Avand o arhitectura complet diferita de tot ce exista pe piata in materie de pompe de caldura, conform unui brevet de inventie propriu, POMPELE DE CALDURA ASG sunt rezultatul unei activitati de peste 30 de ani in domeniul pompelor de caldura si a aplicarii unei noi conceptii de executie smart conform careia pompa de caldura trebuie sa fie capabila sa se protejeze de absolut toate situatiile care i-ar putea afecta integritatea si de a-l informa pe proprietar cu privire la evenimentul nefavorabil aparut.
Mai mult de atat, in anumite situatii, pompa de caldura ASG este capabila sa isi rezolve singura anumite incidente aparute, cum ar fi de exemplu schimbarea succesiunii fazelor ca urmare a unei inteventii la instalatia de alimentare cu energie electrica in amontele tabloului de alimentare al pompei de caldura ASG.
Tabloul de comanda al pompei de caldura ASG, analizeaza in permanenta succesiunea fazelor de alimentare cu energie electrica iar in cazul in care aceasta a fost schimbata, tabloul de comanda semnalizeaza incidentul dar isi realizeaza singur o noua conexiune interioara favorabila pentru a pastra succesiunea normala a fazelor de alimentare si implicit sensul campului magnetic invartitor care alimenteaza electrocompresorul. Aceasta automatizare a fost introdusa datorita faptului ca am constatat in foarte multe locatii, in orase si chiar chiar in vecinatatea capitalei ca am avut situatii in care au avut loc schimbari accidentale de succesiune de faze ca urmare a interventiilor realizate la liniile de alimentare cu energie electrica pentru consumatorii rezidentiali.
Avand in vedere conceptia de baza conform careia pompa de caldura ASG se autoprotejeaza fata de toate incidentele care i-ar putea afecta integritatea, rezulta ca aceasta pompa de caldura nu se poate defecta decat – asa cum imi place sa glumesc- „decat daca cineva o loveste cu toporul”
In rezumat pot spune ca tabloul de comanda al pompei de caldura ASG, protejeaza pompa de caldura impotriva oricaror anomalii de alimentare cu energie electrica (variatii de tensiune, lipsa sau succesiune faza, frecventa, etc), impotriva lipsei de apa, a nisiparii putului, a colmatarii, a consecintei intreruperilor de scurta durata privind alimentarea cu energie electrica, a nefunctionarii sau a functionarii nesatifacatoare a pompei de circulatie sau a electropompei sumbersibile si multe multe altele…
Pompa de caldura ASG poate fi setata pentru mentinerea unei temperaturi minime de garda care sa funtioneze independent de comanda de incalzire care este realizata pe device (calculator, laptop, tableta/telefon) din orice locatie cu acces la internet cu conditia ca sa existe semnal internet si la locatia de montaj a pompei de caldura ASG. Pe device-ul respectiv se poate programa un numar nelimitat de paliere de temperatura la nivel zilnic si saptamanal dar se si poate interveni manual, peste program, in orice moment.
Aceste protectii de care nu beneficiaza nici o alta pompa de caldura sunt completate de performantele de top ale vaporizatorului, care permite pompei de caldura ASG realizarea unui COP superior cu cca 15% tuturor pompelor de caldura similare.
Este vorba despre faptul ca vaporizatorul in forma de spirala, realizeaza un flux de apa fara intoarceri la 90 dau 180 de grade, in care viteza de curgere a apei este relativ constanta pe toata sectiunea de curgere si realizeaza astfel o autospalare continua a acestuia, impiedicand depunerile, spre deosebire de vaporizatoarele celorlalte pompe de caldura similare, care sunt constituite din schimbatoarele de caldura in placi brazate, la care spatiile de curgere prezinta intoarceri la 90 si 180 de grade, locuri in care variatia vitezei de curgere a apei in sectiunea de curgere este foarte mare, spatiile de curgere sunt foarte mici si exista pericolul iminent de colmatare.
Din acest motiv, pompele de caldura similare utilizeaza un schimbator suplimentar de caldura, de sacrificiu, care introduce in plus in sistem un randament de transfer termic de cca 85%. In acest mod, randamentul total al pompelor de caldura similare scade cu cca 15% (se stie ca randamentul total este egal cu produsul randamentelor).In plus, acel schimbator de caldura de sacrificiu, trebuie schimbat periodic, ceea ce afecteaza atat valoarea investitiei initiale cat si a intretinerii. In schita de mai jos apare o exemplificare in acest sens.
Pompele de caldura apa-apa actuale prezinta urmatoarea configuratie:
ᶯ1=randamentul (COP) pompei de caldura
ᶯ2=randamentul schimbatorului suplimentar=0,85
ᶯtotal =ᶯ1 x ᶯ2 =0,85 xᶯ1=0,85ᶯ1 <ᶯ1
Rezulta clar ca necesitatea de a amplasa un schimbator de caldura suplimentar (de sacrificiu), introduce o pierdere de randament egala cu pierderea de randament a schimbatorului de caldura respectiv.(85%).
Cu alte cuvinte, schimbatorul de caldura suplimentar, reduce puterea termica a pompei de caldura cu cca 15%.
Acest tip de vaporizator asigura in acelasi timp valori record ale supraincalzii vaporilor de freon si subracirii freonului lichid, fapt care asigura performante mult superioare pompelor similare.
In variantele SMART 1 si SMART 2 pompele de caldura ASG sunt dotate respectiv cu soft starter (varianta SMART 1) si convertizor de frecventa (varianta SMART 2).
Varianta SMART 1. Dotarea cu soft starter (activ pe toate cele 3 faze), asigura porniri mult mai putin fortate ale electrocompresorului, in conditia limitarii si controlarii curentului de pornire, a timpului de accelerare, a incarcarii etc), fapt care asigura nu numai prelungirea duratei de viata a electrocompresorului dar si reducerea energiei electrice consumate cu cca 30%.(electromotoarele consuma la pornire un curent care poate depasi si de 10 ori curentul nominal, iar economia de energie electrica apare tocmai din limitarea curentului de pornire).
Varianta SMART 2. In aceasta varianta, pompa de caldura este dotata cu convertizor de frecventa, a carei comanda de sincronizare se realizeaza cu sistem PID. Aceasta dotare schimba total „teoria de functionare a sursei”, in cazul de fata pompa de caldura ASG, realizand adaptarea la consumator.
Cazul pompei de caldura fara convertizor de frecventa
Pompa de caldura dezvolta in permanenta o putere termica mult mai mare decat necesarul pentru incalzirea casei.
Puterea termica a pompei de caldura este foarte mare fata de necesarul termic al casei pentru incalzire la un moment dat, deoarece aceasta a fost calculata sa fie capabila sa asigure incalzirea casei si la cele mai scazute temperaturi exterioare.
Pentru a se putea realiza incalzirea casei, in conditiile diferentei intre puterea termica mare produsa de pompa de caldura la un moment dat si puterea termica mai mica ceruta de casa pentru incalzire, se stabileste o „temperatura de histerezis”, adica o diferenta dintre temperatura de oprire a pompei de caldura si temperatura de repornire a acesteia.
De exemplu se seteaza ca pompa de caldura sa se opreasca atunci cand in casa temperatura ajunge la 24 grade Celsius si sa reporneasca atunci cand temperatura in casa a scazut la 22 grade Celsius. Diferenta de 2 grade Celsius reprezinta histerezisul.In acest mod se agigura in casa o temperatura cuprinsa intre 22 si 24 grade Celsius.
Acest mod de functionare creeaza urmatoarele dejavantaje:
1) Pornirea si oprirea pompei de caldura reprezinta eforturi electro-mecanice pentru electrocompresor, care face ca acesta sa fie supus unei uzuri in timp;
2) Datorita pornirii si opririi repetate, curentii de pornire, mult mai mari decat curentii nominali de funtionare genereaza consumuri mult mai mari de energie electrica;
3) Pornirile si opririle repetate creeaza uzura echipamentelor electrice (contactori, relee, etc);
4) Temperatura in casa are valori fluctuante in limita histerezisului, dar in general mult mai mici decat acesta;
Cazul pompei de caldura cu convertizor de frecventa
Convertizorul de frecventa realizeaza o reducere a turatiei de functionare a electrocompresorului, in limitele acceptate de fabricantul acestuia, realizand astfel o reducere a puterii electrice consumate de electrocompresor in functie de puterea termica ceruta de necesarul de caldura pentru incalzirea casei la temperatura prestabilita.
Practic, termostatul comanda turatia electrocompresorului in functie de necesarul de caldura asigurand reducerea turatiei acestuia pana la turatia minima admisa de fabricant atunci cand temperatura in casa se apropie de temperatura prestabilita si respectiv cresterea turatiei electrocompresorului cu atat mai mult cu cat diferenta intre temperatura prestabilita in casa si temperatura existenta la momentul respectiv este mai mare. Acest reglaj se realizeaza cu sistemul PID, care urmareste vectorul diferenta intre cele doua temperaturi mentionate si genereaza cresterea sau scaderea turatiei compresorului.
Practic, acest sistem adapteaza permanent puterea termica produsa de pompa de caldura la necesarul de caldura pentru incalzirea casei la temperatura prestabilita.
Acest mod de functionare creeaza urmatoarele avantaje:
1) Reduce drastic numarul de porniri ale electrocompresorului, cu reducerea substantiala a uzurii acestuia;
2) Reducand numarul de porniri-opriri, reduce considerabil consumul de energie electrica;
3) La pornirile efectuate, drastic reduse ca numar, asigura curenti mici de pornire, controleaza sarcina de pornire, timpul de pornire, etc cu scopul de a asigura conditii excelente de functionare a electrocompresorului in conditii de uzura minim posibile;
4) Asigura o temperatura fixa in interiorul casei, fara fluctuatii;
5) Asigura o uzura mult mai redusa a echipamentelor electrice (contactori, relee, etc).
CUM SE PREPARA APA CALDA DE CONSUM CU POMPA DE CALDURA ASG
Primele modele ale pompei de caldura ASG au fost dotate cu doua condensatoare (primul pentru incalzire iar cel de al doilea pentru prepararea apei calde de consum menajer).Cu ajutorul unui fluxostat, se determina conditia prioritara de pornire (sau de trecere) a pompei de caldura in circuitul celui de al doilea condensator, care era setat la 55 grade Celsius pentru incalzirea apei de consum menajer.
In teorie, si o perioada destul de scurta ulterior (cca doi ani), totul decurgea normal. Dupa aceea, interveneau problemele in sensul ca aparea colmatarea si blocarea condensatorului pe partea de apa, cauzata de depunerile masive de calcar datorate duritatii apei. Viteza de colmatare poate diferi de la locatie la locatie in functie de duritatea apei din zona rspectiva. Din nefericire, la noi, in Vrancea, apa este foarte dura, are peste 22 grade Germane duritate si din acest motiv, condensatorul destinat producerii apei calde de consum menajer, nu s-a dovedit a fi o solutie fiabila.
Dupa mai multe incercari si testari, singura solutie care s-a dovedit a fi valabila pe termen lung, a fost solutia prepararii apei calde de consum menajer cu ajutorul unui boiler tanc in tanc, ca in fig de mai jos.
Dupa cum se vede in schita, apa rece de la retea intra pe la partea superioara in boilerul interior, se incalzeste datorita apei calde produsa de pompa de caldura care se afla in spatiul dintre cele doua boilere si pleaca spre consum ca ACM.
Pompa de caldura, functioneaza in circuit inchis, cu boilerul (mai precis cu volumul dintre cele doua boilere) mentinand o temperatura prestabilita a apei.(cu histerezis, bineinteles).
In acest mod, s-a constatat ca nu apare colmatare prin depunere de calcar nici dupa o functionare de peste 10 ani. Sistemul este foarte fiabil si chiar daca prin absurd, se constata o reducere a randamentului transferului termic intre cele doua boilere, dupa o perioada de peste 10 ani, se poate face o spalare chimica pentru dezincrustare, urmata de clatire si inca 10 ani nu vor apare probleme, s.a m.d
Producerea apei calde manajere pe durata verii, cu ajutorul pompei de caldura ASG, nu modifica cu numic datele problemei, in sensul ca pompa de caldura va functiona la fel ca si iarna, adica va incalzi apa aflata in spatiul dintre cele doua boilere dar neexistand consum pentru incalzirea casei, pompa de caldura va functiona extrem de putin si foarte rar, cu un consum minim de energie electrica.
In general, boilerele tanc in tanc au prevazute la interior si una sau doua serpentine destinate incalzirii apei calde de consum menajer pe durata iernii, folosind o instalatie solara.
FUNCTIONAREA POMPEI DE CALDURA ASG PENTRU CONDITIONARE
Conform ciclului de functionare al oricarei pompe de caldura apa-apa in circuit deschis, pompa de caldura ASG primeste in vaporizator apa din putul forat care pe teritoriul Romaniei are o temperatura relativ constanta pe toata durata anului, in jurul valorii de 13 grade Celsius.
La iesirea din vaporizator, apa respectiva este foarte mult racita ca urmare a extragerii energiei termice de catre pompa de caldura.In general, pe durata iernii, nu exista utilizare pentru apa racita, care astfel este considerata deseu si este returnata la reteua pluviala ori menajera sau reinjectata in alt put.
Pe durata verii, situatia se schimba, deoarece apa racita poate avea utilizare pentru conditionare.
Recomandarea pentru realizarea conditionarii pe durata verii cu ajutorul pompei de caldura ASG este urmatoarea:
Incalzirea se poate realiza cu ajutorul ventilo-convectoarelor amplasate in camerele respective.(se poate realiza desigur si cu ajutorul instalatiei de racire cu tevi in plafoane dar este mult mai scump), in doua modalitati, care pot fi consecutive in fucntie de necesitate.
1). Racire pasiva, circuland prin ventilo-convectoare apa din putul forat, care are o temperatura de cca 13 grade Celsius si poate crea un ambient foarte placut. Aceasta racire consuma foarte putina energie electrica, deoarece impune numai functionarea electrocpompei din putul forat.(electropompa care se afla in dotarea echipamentelor conexe ale pompei de caldura ASG).Acest mod de functionare nu impune intrarea in functiune a pompei de caldura ASG, in consecinta consumul energetic va fi minim.
2). Racire activa. In cazul in care temperaturile exterioare sunt extrem de ridicate iar racirea pasiva nu face fata (situatie care poate fi intalnita numai in cazul imobilelor cu o foarte slaba izolatie termica), se poate apela la racirea activa, adica la pornirea pompei de caldura si la utilizarea pentru conditionare a apei racite produsa in vaporizator.Se fac anumite setari care pot reduce foarte mult temperatura apei din vaporizator, pentru a realiza o racire accentuata.In acest mod de functionare, consumul de energie electrica al pompei de cladura ASG, este comparabil cu siituatia de incalzire pe timpul iernii. De mentionat este faptul ca in paralel cu producerea apei racite, pompa de caldura asigura si incalzirea apei calde de consum menajer.
DESPRE COP
Am decis sa scriu cateva cuvinte despre Coeficientul de Performanta al pompelor de caldura, folosind argumentele tehnice ale unor fabricanti de compresoare frigorifice de brand deoarece reclamele comerciale in acest sens anunta realizarea unor coeficienti de performanta, cum se spune „fara numar, fara numar”.
Imi cer scuze de la persoanele care nu ageeaza expunerea de detalii tehnice, dar o voi face intr-un mod cat mai simplu si usor de inteles posibil. Am nevoie sa expun anumite detalii tehnice deoarece argumentele trebuie fundamentate cu o logica tehnica.Daca totusi vi se pare enervant, sariti peste acest capitol sau cititi numai paragrafele boldite.
Intreaga discutie va consta in analiza si interpretarea diagramei ciclului Carnot inversat (simplificata) care caracterizeaza functionarea pompei de caldura.
Diagrama T-S. (este vorba despre ciclul Caront ideal inversat, deoarece in cazul ciclului real, conotatiile sunt mult mai complexe si pot fi gasite de cei care doresc, in documentatiile tehnice de specialitate).
T = reprezinta temperatura agentului termic (in cazul nostru, circuitul de apa care se incalzeste in condensator pentru calorifere sau sistemul de incalzire in pardoseala, pe care il vom numi agent termic). Temperatura agentului termic se seteaza in tabloul de comanda al pompei de caldura in functie de sistemul de incalzire al casei (respectiv in jurul valorii de 35 grade Celsius daca imobilul are sistem de incalzire in pardoseala, in jurul valorii de 45 grade Celsius daca imobilul are sistem de incalzire cu ventilo-convectoare si in jurul valorii de 55 grade Celsius daca imobilul are sistem de incalzire cu calorifere).
Tu = reprezinta temperatura “sursei de caldura” care determina vaporizarea freonului si supraincalzirea vaporilor de freon din vaporizator. In cazul pompelor de caldura apa-apa in circuit deschis, cum este pompa de caldura ASG, aceasta temperatura este in jurul valorii de 13 grade Celsius., relativ constanta pe toata durata anului. si este constituita dintr-un flux de apa din pompat din panza freatica; In cazul pompelor de caldura apa-apa in circuit inchis, Tu reprezinta temperatura agentului (saramura sau apa gliconata) care circula prin serpentinele amplasate in pamant, iar in cazul pompelor de cladura aer-apa, Tu reprezinta temperatura aerului la momentul dat.
Suprafata “a” reprezinta energia preluata de pompa de caldura din “sursa de caldura” utilizata, deci energia recuperata de pompa de caldura din sursa respectiva; Este de fapt energia luata din mediu, pentru care nu trebuie platita nici o suma, este ENERGIA GRATIS.
Suprafata “b” reprezinta energia consumata de electrocompresorul pompei de caldura, pe baza consumului de energie electrica a compresorului; Este energia pentru care beneficiarul pompei de caldura plateste cuantuumul consumului de energie electrica a electrocompresorului, adica este ENERGIA PENTRU CARE SE PLATESTE.
Suprafata “a+b”, reprezinta energia totala cedata agentului termic de incalzire a imobilului.(este vorba de un ciclu ideal fara pierderi de randamente).
In aceste conditii, coeficientul de performanta COP al pompei de caldura este: COP = ( a+b)/b
Analizand figura de mai sus, si formula COP, rezulta urmatoarele concluzii:
1. Energia termica totala produsa de pompa de caldura si cedata imobilului (suprafata a+b), este cu atat mai mare cu cat suprafata „a+b” este mai mare.
2. Pompa de caldura este cu atat mai eficienta (produce o energie maxima cu cheltuieli minime), cu cat suprafata „a” este mai mare iar suprafata „b” este mai mica.
3. Conditiile de eficienta (care fac ca suprafata „a” sa fie mai mare iar suprafata „b” sa fie mai mica), deci conditiile ca COP sa fie maxim sunt urmatoarele:
• 3.1 Suprafata „a” este cu atat mai mare cu cat valoarea lui Tu este mai mare adica ENERGIA GRATIS produsa de pompa de caldura este direct proportionala cu temperatura sursei de caldura. (acesta este si motivul pentru care pompele de cladura apa-apa in circuit deschis au cel mai mare COP, deoarece dispun de sursa de caldura cu cea mai mare temperatura iarna.(apa din putul forat are aprox 13 grade Celsius toata durata anului, spre deosebire de pompele apa-apa in circuit inchis la care iarna temperatura sursei de caldura -apa gliconata- care circula prin tevile ingropate are cateva grade iar la pompele de caldura aer-apa, pe durata iernii, sursa de caldura are temperaturi negative).
• 3.2 Energia electrica consumata de pompa de caldura de la retea, adica ENERGIA PENTRU CARE SE PLATESTE este cu atat mai mica cu cat temperatura necesara a agentului termic pentru incalzirea imobilului este mai mica. De aici rezulta clar motivul pentru care cele mai mici cheltuieli privind incalzirea se realizeaza cu sistemele de incalzire in pardoseala care necesita o temperatura a agentului termic de cca 35 grade Celsius. Sistemele de incalzire cu ventilo-convectoare care necesita o temperatura a agentului termic de cca 45 grade Celsius, vor inregistra cheltuieli mai mai decat in cazul mentionat anterior, si respectiv, cele mai mari cheltuieli privind incalzirea se vor inregistra la sistemele de incalzire cu calorifere, unde temperatura necesara a agentului termic trebuie sa fie in jurul valorii de 55 grade Celsius.
• Nota suplimentara. In cazul in care Tu are o valoare constanta (se presupune ca T=ct), valoarea „a+b” este constanta. Daca valoarea lui T se modifica in timp, atunci se modifica si suprafata „a+b” deci COP. Aceasta observatie are urmatoarea interpretare extrem de importanta din punct de vedere al consecintelor:
• Puterea termica oferita de o pompa de caldura este constanta atat timp cat temperatura sursei de caldura este constanta, urmand sa scada odata cu scaderea temperaturii acesteia si respectiv sa cresca odata cu crestera temperaturii acesteia. Deci pompele de caldura apa-apa in circuit deschis sunt singurele pompe de caldura care indeplinesc atat conditia de a oferi energia termica maxima (si COP maxim) dar si o stabilitate a puterii termice pe toata durata anului, in timp ce pompele de caldura apa-apa in circuit deschis (cu tevile ingropate in plan orizontal) si mai ales pompele de caldura aer-apa produc o energie termica cu atat mai mica (si evident un COP cu atat mai mic), cu cat afara este mai frig, deoarece temperatura sursei de caldura utilizate de aceste pompe de caldura scade odata cu temperatura exterioara.
CONSECINTE IMPORTANTE
Dimensionarea pompelor de caldura se va face astfel incat acestea sa fie capabile sa ofere energia termica necesara pentru asigurarea microclimatului in imobil chiar si in cele mai friguroare zile de iarna din zona in care este amplasat imobilul respectiv.
Aceasta conditie va conduce la amplasarea de pompe de caldura aer-apa dar si apa-apa in circuit deschis cu puteri electrice instalate mult mai mari decat in cazul amplasarii de pompe de caldura apa-apa in circuit deschis.
Pentru clarificare voi exemplifica aceasta situatie:
Sa presupunem ca din calcule a rezultat ca pe durata celei mai scazute temperaturi de iarna, la locul de amplasare a unui imobil, pentru incalzirea imobilului, dotat cu instalatie de incalzire in pardoseala, pompa de caldura trebuie sa ofere o putere termica de 18 kw.
Sa vedem cum va trebui sa procedam in cazul in care:
A). Vom amplasa o pompa de cladura apa-apa in circuit deschis;
B) .Vom amplasa o pompa de caldura apa-apa in circuit inchis (cu tevile ingropate in plan orizontal);
C). Vom amplasa o pompa de caldura aer-apa
A. In cazul A, vom amplasa o pompa de caldura apa-apa incircuit deschis cu puterea termica de 18 kw, avand in vedere faptul ca aceasta va produce o putere termica de 18 kw indiferent de temperatura exterioara, asigurad microclimatul prestabilit in orice conditii de temperatura exterioara. Aceste pompe de caldura au un COP cuprins intre 4,5-5,5. Consideram COP = 5.
Calculul simplificat este urmatorul:
Puterea termica necesara/COP = puterea electrica a pompei de caldura
Adica, in cazul nostru: 18:5 = 3,6 kw. Deci vom alege o pompa de caldura apa-apa in circuit deschis cu puterea electrica de 3,6 kw.
B. In cazul B, va trebui sa vedem ce putere termica poate produce pompa de caldura apa-apa in circuit inchis (cu tevile ingropate in plan orizontal) la temperatura exterioara cea mai scazuta si cat va fi in acele conditii temperatura sursei de caldura, adica a apei gliconate care circula prin tevile ingropate si in consecinta, care este puterea electrica instalata a pompei de caldura care la valoare COP asigurata de temperatura sursei de caldura va putea produce puterea termica de 18 kw. Pentru o temperatura exterioara de minus 15 grade Celsius, apa gliconata care constituie sursa de caldura a pompei respective poate avea o temperatura de max 3,5 grade Celsius, daca este ingropata la adancimea de 2,5 m. La acesta temperatura a sursei de caldura, pompa de caldura respectiv apoate avea un COP de cca 3,4.
Calculul este acelasi:
Puterea termica necesara/COP = puterea electrica a pompei de caldura
Adica, in cazul nostru: 18:3,4 = 5,29 kw. Deci vom alege o pompa de caldura pa-apa in circuit inchis cu puterea electrica de 5,3 kw.
C. In cazul C vom proceda identic adica vom calcula din diagrama de functionare valoarea COP pentru pompa de caldura aer-apa la temperatura exterioara de minus 8 grade Celsius. La aceasta temperatura, valoarea COP poate fi de cca 2,1.(vedeti determinarile care urmeaza)
Se aplica acelasi mod de calcul si rezulta:
Puterea termica necesara/COP = puterea electrica a pompei de caldura
Adica, in acest caz: 18:2,1 = 8,57 kw.
Teoretic, ar trebui sa alegem o pompa de caldura aer-apa cu puterea electrica instalata de 8,57 kw. Acest lucru nu se realizeaza in practica deoarece ar insemna nu numai o valoare uriasa a investitiei dar si un excedent enorm de putere termica in perioadele mai calde, rezultanta finala fiind un consum urias de energie electrica. Pentru a iesi din aceasta situatie generata de scaderea puterii termice a pompelor de caldura aer-apa pe durata timpului foarte rece (practic aceste pompe de caldura dau din ce in ce mai putina caldura cu cat afara este mai frig, adica isi reduc puterea termica exact atunci cand imobilul are tot mai multa nevoie de caldura), constructorii acestor pompe de caldura amplaseaza o rezistenta electrica „de ajutor”, care intra automat in functiune atunci cand pompa de caldura aer-apa nu mai face fata necesarului de energie termica pentru incalzirea imobilului.
Care sunt avantajele si dezavantajele acestei solutii in cazul pompelor de caldura aer-apa?
1). AVANTAJE : Elimina necesitatea amplasarii unor electrocompresoare cu puteri foarte mari dar si foarte scumpe, capabile sa produca energia termica necesara incalzirii imobilului pe timpul foarte rece numai prin efect frigorific;
2). DEZAVANTAJE :Cresc faorte mult factura de incalzire deoarece rezistenta electrica „de ajutor” produce o caldura de cca 5 ori mai scumpa decat caldura produsa de pompa de caldura apa-apa in circuit deschis
NOTA: In toate cele 3 cazuri, COP este mai mare in cazul in care imobilul are sistem de incalzire in pardoseala, mai mic in cazul in care sistemul de incalzire al imobilului se realizeaza cu ventilo-convectoare si cel mai mic in cazul in care imobilul are sistem de incalzire cu calorifere.
Din nefericire, nici pompele de caldura apa-apa in circuit deschis nu au acces la o sursa de caldura cu o temperatura cat de cat comparabila cu temperatura apei din putul forat la care au acces pompele de caldura apa-apa in circuit deschis. Dupa cum se vede din diagrama alaturata, tocmai la 18 m adancime, temperatura in sol este de 10 grade Celsius, dupa care ecuatia este ca temperatura creste cu un grad Celsius la fiecare 33 m adancime. Doar pompele de caldura apa-apa in circuit inchis cu foraje verticale pot beneficia de o temperatura comparabila a sursei de caldura pentru atingerea unor valori comparabile ale COP dar la aceste pompe de caldura forajele verticale sunt foarte scumpe, iar necesarul este de cca 35 metri de foraj/kw termic.
SI IN CONTINUARE … DESPRE COP
La acesta data confectionarea pompelor de caldura nu mai constituie o necunoscuta deoarece principalii fabricanti de compresoare au pus la dispozitie softuri complete de proiectare si simulare a functionarii astfel incat realizarea unei pompe de caldura nu presupune decat urmarea unor pasi si alegerea unor subansamble mentionate foarte clar in softurile amintite.(Danfoss Hexact 5, Pack calculation Coolesector 2, Select 7.16 etc).
Cu ajutorul acestor softuri se pot cunoaste cu precizie toti paramentrii care vor caracteriza functionarea pompei de caldura chiar inainte ca aceasta sa fie construita.
Ca de obicei, vom lua un exemplu pentru a demonstra foarte clar in ce domeniu se situeaza acesti parametri si mai ales pentru a demonstra ca anumiti parametri si in special COP prezentati pe piata, de unii comercianti, ar putea determina fabricantii acestor echipamente sa-si faca cruce in cel mai bun caz….
Vom lua in mod demonstrativ cazul electrocompresorului ZH15K4E-TFD, Copeland, un compresor utilizat frecvent pentru pompele de caldura, si vom analiza parametrii de functionare cu ajutorul programului Select 7.16 de la Copeland Scroll.
Acest compresor functioneaza cu R407C, un freon care „mai are de trait” pana in anul 2022 avand o valoare a GWP (Globat Warming Potential) de 1774. ( Regulamentul privind gazele florurate adoptat in anul 2006, inlocuit apoi cu un nou Regulament adoptat in anul 2014, care a intrat in vigoare la 1 ianuarie 2015, prevede ca pana in anul 2020, sa se elimine freonii cu valori ale GWP mai mari de 2500 iar pana in anul 2022, sa se elimine freonii cu GWP mai mare de 150). https://ec.europa.eu/clima/policies/f-g…slation_en
Freonul R407C este un amestec de 3 freoni, cu o participatie procentuala conform tabelului de mai jos:
Consireram parametrii de functionare cei ma favorabili adica o pompa de caldura apa-apa in circuit deschis, care asigura incalzirea unui imobil dotat cu instalatie de incalzire in pardoseala.
Din tabelul Danfoss Refrigerant Slider pentru freonul R407C rezulta ca la o presiune pe aspiratie de 4,0 barr, masurata in functionare, avem in vaporizator in faza dew (lichida) o temperatura de 2,5⁰C iar in faza bubble (vapori) o temperatura de -3,7⁰C.
Aplicam formula de calcul a temperaturii medii de vaporizare si rezulta:
Tbuble x 0,4 +Tdew x 0,6 = (-3,7) x 0,4 + 2,5 x 0,6 = 0,02⁰C, Deci Te = 0,02 ⁰C
In mod similar, calculam temperatura medie de condensare aferenta valorii presiunii de 13,5 barr, adica o temperatura de 32,5⁰C pentru faza bubble si o temperatura de 37,7⁰C pentru faza dew.
Aplicam formula de calcul a temperaturii medii de condensare si rezulta:
Tbuble x 0,4 +Tdew x 0,6 = 32,5 x 0,4 + 37,7 x 0,6 = 35,63⁰C, Deci Tc = 35,63 ⁰C
Inlocuim in tabelul din Select 7.16, valoarea temperaturii de vaporizare Te = 0,02⁰C si a temperaturii de condensare
Tc = 35,63⁰C si valorile temperaturilor de supraincalzire si respectiv supraracire ca diferente intre valorile calculate mai sus si cele masurate la iesirea din vaporizator si respectiv din condensator.
Dupa aceasta etapa, avem acces la toti parametrii functionali ai compresorului, si putem face o analiza functionala completa, dupa cum urmeaza:
Te (evaporation temperature) = temperatura de vaprizare;
Tc (condensation temperature) = temperatura de condensare.
Nota. Programul poate fi setat sa afiseze tabelar (ca mai jos) sau sub forma de diagrama. Am ales sa prezint modul tabelar. Acest mod are afisare in trepte si pentru valori foarte precise se poate face integrare sau se apeleaza la modul diagrama. Progamul a ,arcat cu verde punctul de functionare in cadrul fiecarui tabel.
Tabelul nr.1 Capacitatea de incalzire
Tabelul nr.2 Puterea electrica (kw) consumata de la retea pentruu fiecare regim de functionare
Tabelul nr.3 Valoarea COP pentru fiecare regim de functionare
Tabelul nr.4 Valoarea curentului absorbit (A) pentru fiecare regim de functionare
…si softul furnizeaza in continuare tabele cu puterea frigorifica, etc.
Astfel pot constata ca in exemplul de calcul considerat in care temperatura de vaporizare este de aprox 0⁰C si temperatura de condensare este de 35,6⁰C, corespunzatoare functionarii unei pompe de caldura apa-apa in circuit deschis care genereaza agent termic pentru un sistem de incalzire in pardoseala, in punctul de functionare considerat, avem urmatorii parametri de functionare:
• Puterea temica produsa de pompa de caldura = 6,26 kw;
• Puterea electrica consumata = 1,17 kw
• Valoarea COP la parametrii respectivi = 5,34
• Valoarea curentului absorbit de la reteua de alimentare cu energie electrica = 2,55 amperi
NOTA. Ca sa fim totusi onesti atunci cand comparam consumul de energie electrica pentru obtinerea valorii COP, trebuie sa luam in considerare si puterea electrica consumata de pompa submersibila, care va reduce din valoarea calculata a COP. Totusi la ora actuala nici un comerciant sau producator de pompa de caldura apa-apa in circuit deschis nu ia in calcul puterea electrica consumata de pompa submersibila tot asa cum nici un fabricant sau comerciant de pompa de caldura apa-apa in circuit inchis nu ia in calcul puterea electrica consumata de pompa de circulatie a saramurii (sau apei gliconate). Motivul este acela ca efectul ar fi necesitatea de a comunica un COP mai mic, dar absolut real.
Este si motivul pentru care subsemnatul nu am avansat niciodata o valoare a COP pentru pompele de caldura ASG mai mare de 5,0 desi din calcul rezulta 5,34, iar la masuratori, aceasta cifra se confirma daca nu se ia in calcul, consumul pompei submersibile.
Cu ajutorul acestor tabele ne putem face o imagine reala asupra parametrilor de functionare.
Putem chiar anticipa care ar fi parametrii aceluiasi compresor in cazul in care ar echipa o pompa de caldura apa-apa in circuit inchis (cu amplasament orizontal al tevilor colectoare) sau chiar in cazul in care ar echipa o pompa de caldura aer-apa. Putem chiar anticipa si care ar fi parametrii de functionare pentru fiecare caz in parte in situatia in care imobilul este dotat cu incalzire in pardoseala, cu ventilo-convectoare sau cu calorifere.
Avand in vedere ca mai sus, am luat in calcul situatia cea mai favorabila, (cea care asigura cele mai mici cheltuieli lunare privind incalzirea) adica o pompa de caldura apa-apa in circuit deschis, (pompa de caldura ASG) vom lua in analiza si cazul cel mai defavorabil, adica incalzirea unui imobil, dotat cu calorifere, utilizand o pompa de caldura aer-apa, functionand la limita, adica la temperatura de -8⁰C. (adica la temperatura la care se preconizeaza ca nu intra in functiune rezistentele electrice din dotare, care genereaza o caldura de peste 5 ori mai scumpa decat cea produsa cu pompa de caldura apa-apa in circuit deschis).
Conform literaturii de specialitate, temperatura de vaporizare este cu 12⁰C – 20 ⁰C mai mica decat temperatura aerului exterior, adica petru o medie de -16⁰C diferenta, rezulta o temperatura de vaporizare de -24⁰C.
Din analiza datelor din tabelele prezentate, rezulta urmatorii parametri de functionare: (s-a marcat cu galben punctul aproximativ de functionare).
• Concluzia principala: Pompa de caldura aer-apa, va putea sa furnizeze o temperatura maxima a agentului termic de 45 ⁰C,
• Tabelul nr.1: Capacitatea de incalzire Pompa de caldura va putea asigura numai 2,55 kw termici
• Tabelul nr.2: Puterea electrica va fi de 1,21 kw
• Tabelul nr.3: Valoarea COP va fi de 2,10
• Tabelul nr.4: Valoarea curentului absorbit va fi de 2,59 amperi
Concluzia este ca daca pompa va fi setata pentru temperatura agentului termic de 45⁰C, pompa va putea functiona fara pornirea rezistentei de ajutor, dar va furniza pentru incalzirea imobilului numai 2,55 kw termici. Daca aceasta putere termica este insuficienta pentru a ridica temperatura in interiorul imobilului la valoarea setata, pompa de caldura nu va putea ridica temperatura nici la valoarea de 45⁰C si atunci va comanda pornirea rezistentei de ajutor, care va urca foarte mult valoarea facturii de incalzire.
Pentru o evidentiere clara sa punem in antiteza cele doua variante respectiv doua pompe de caldura care utilizeaza acelasi electrocompresor ZH15K4E-TFD:
SOLUTIA CEA MAI AVANTAJOASA
Pompa de caldura apa-apa in circuit deschis care incalzeste un imobil dotat cu sistem de incalzire in pardoseala
Compresor utilizat ZH15K4E-TFD
Pompa de caldura va putea furniza agent termic cu temperatura maxima de 55⁰C, valoare limitata din tabloul de comanda;
Tabelul nr.1: Pompa de caldura va putea asigura 6,26 kw termici ;
Tabelul nr.2 Puterea electrica consumata = 1,17 kw
Tabelul nr.3 Valoarea COP la parametrii respectivi = 5,34
Tabelul nr.4 Valoarea curentului absorbit de la reteua de alimentare cu energie electrica = 2,55 amperi
SOLUTIA CEA MAI DEJAVANTAJOASA
Pompa de caldura aer- apa care incalzeste un imobil dotat cu sistem de incalzire cu calorifere
Compresor utilizat ZH15K4E-TFD
Concluzia principala: Pompa de caldura aer-apa, va putea sa furnizeze o temperatura maxima a agentului termic de 45 ⁰C,
Tabelul nr.1: Capacitatea de incalzire Pompa de caldura va putea asigura numai 2,55 kw termici
Tabelul nr.2: Puterea electrica consumata = 1,21 kw
Tabelul nr.3: Valoarea COP la parametrii respectivi = 2,10
Tabelul nr.3: Valoarea curentului absorbit de la reteua de alimentare cu energie electrica = 2,59 amperi
Acolo unde gasiti oferte pentru pompe de caldura care asigura un COP sensibil mai mare de 5, sa fiti foarte prudenti privind conditiile obtinerii acestei valori pentru COP, valori care sfideaza legile termotehnicii, in conditiile expuse mai sus. Mai pe romaneste spus…miroase a smecherie….
In ultimii ani, am intalnit foarte multi “fabricanti” dar mai ales “instalatori” de pompe de caldura fara studii de inginerie in termotehnica, fosti zidari, culegatori de fructe in Italia sau Spania, etc (am intalnit chiar un fost boxer, doi programatori, un fost zugrav)…care instalau de zor pompe de caldura…si nu as dori sa continui…
Ca si regula generala, daca apelati la o firma pentru montarea de pompe de caldura, este bine sa le cereti sa va prezinte si ce studii au „specialistii” lor, pentru a evita surprize din cele mai dure, pentru ca altfel este ca si cum v-ati opera de ficat la un zugrav pe singurul considerent ca si doctorii si zugravii poarta halate albe….
Pentru cei interesati, performantele celor mai eficiente pompe de caldura din EUROPA pot fi gasite accesand pagina web Universitatea Interstatala de Stiinta si Tehnologie Aplicata din Buchs NTB (Elvetia) cu Centrul de Testari pentru Pompe de Caldura care inlocuieste de cativa ani fostul Centrul de Testari din Toess, Elvetia. Acest centru de incercari este recunoscut in Europa si in lume ca fiind unul din cele mai credibile institutii de acest gen din lume.
Coeficientul de performanță al unei pompe de căldură ASG este confirmat de către consumul scăzut de energie pe timp de iarnă.
