pompe de caldura asg
pompe de caldura asg

Coeficientul de Performanta 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.