Pompa de caldura

Unitate exterioară a unei pompe de căldură cu sursă de aer

Pompa de căldură (sau pompă de căldură ) este o mașină termică capabilă să extragă și să transfere energie termică folosind diferite forme de energie , în general mecanice. ^[1]

Descriere

Exemple obișnuite de mașini de acest tip sunt:

mai rece ;
aparat de aer conditionat ;
pompă de căldură cu compresie de gaz ;
pompă de căldură de absorbție;
pompă de căldură cu schimbare de fază;
Pompa de caldura termoelectrica cu efect Peltier ;
pompă de căldură geotermală ;
Vortex, numit și tubul Ranque-Hilsch .

Trebuie remarcat faptul că, în aer câmp condiționat, pompa de căldură termen se referă în mod specific la un aparat de aer condiționat cu un reversibil supapă , care schimbă direcția de curgere a agentului frigorific fluid și , astfel , permite atât să furnizeze și căldură extract dintr - o cameră de o clădire .

Operațiune

Principiul de funcționare al unei pompe de căldură:

condensator,
Supapă de laminare,
evaporator,
compresor.

Pompele de căldură funcționează datorită principiilor fizice diferite, dar sunt clasificate în funcție de aplicația lor (transfer de căldură, sursă de căldură, radiator sau mașină frigorifică).

Compresorul unei pompe de căldură creează diferența de presiune care permite ciclului termodinamic să funcționeze: aspiră fluidul frigorific prin evaporator , unde fluidul însuși se evaporă la presiune scăzută absorbind căldura, îl comprimă și îl împinge în interiorul condensatorului unde condensul fluidului la presiune ridicată eliberând căldura absorbită. După condensator, fluidul trece prin supapa de laminare care îl aduce în stare lichid / vapori (reduce presiunea fluidului), apoi reintră în evaporator și începe din nou ciclul. Lichidul frigorific schimbă starea în interiorul celor două schimbătoare: trece în evaporator de la lichid la gazos, în condensator de la gazos la lichid. ^[2]

Randament

Atunci când se compară performanța pompelor de căldură, se evită utilizarea termenului „ eficiență ”, deoarece prin definiție este întotdeauna mai mic de 1. Este preferabil să se utilizeze termenul „randament”, care este exprimat prin coeficientul de performanță , „ COP ", raportul dintre energia livrată (căldura furnizată sursei de interes) și energia consumată (de obicei electrică, necesară de exemplu de către compresor), de obicei indicată în fizica tehnică ca un coeficient de efect util . O valoare COP (coeficient de performanță) de 3 indică faptul că pentru fiecare kWh de energie electrică consumată, pompa de căldură mută căldura egală cu 3 kWh de la sau către sursa de interes. ^[1]

În funcție de efectul util de interes, este posibil să se definească un COP de încălzire și de răcire:

\mathrm {COP_{riscaldamento}} ={\frac {\Delta Q_{\mathrm {caldo} }}{\Delta A}}\leq {\frac {T_{\mathrm {calda} }}{T_{\mathrm {calda} }-T_{\mathrm {fredda} }}}={\frac {1}{\eta _{\mathrm {ciclo\ di\ Carnot} }}}

{\ displaystyle \ mathrm {COP_ {încălzire}} = {\ frac {\ Delta Q _ {\ mathrm {hot}}} {\ Delta A}} \ leq {\ frac {T _ {\ mathrm {hot}}} {T_ {\ mathrm {hot}} -T _ {\ mathrm {cold}}}} = {\ frac {1} {\ age _ {\ mathrm {\ Ciclul Carnot}}}}}

{\ displaystyle \ mathrm {COP_ {încălzire}} = {\ frac {\ Delta Q _ {\ mathrm {hot}}} {\ Delta A}} \ leq {\ frac {T _ {\ mathrm {hot}}} {T_ {\ mathrm {hot}} -T _ {\ mathrm {cold}}}} = {\ frac {1} {\ age _ {\ mathrm {\ Ciclul Carnot}}}}}

\mathrm {COP_{raffreddamento}} =EER={\frac {\Delta Q_{\mathrm {freddo} }}{\Delta A}}\leq {\frac {T_{\mathrm {fredda} }}{T_{\mathrm {calda} }-T_{\mathrm {fredda} }}}

{\ displaystyle \ mathrm {COP_ {cooling}} = EER = {\ frac {\ Delta Q _ {\ mathrm {cold}}} {\ Delta A}} \ leq {\ frac {T _ {\ mathrm {cold} }} {T _ {\ mathrm {hot}} -T _ {\ mathrm {cold}}}}}

{\ displaystyle \ mathrm {COP_ {cooling}} = EER = {\ frac {\ Delta Q _ {\ mathrm {cold}}} {\ Delta A}} \ leq {\ frac {T _ {\ mathrm {cold} }} {T _ {\ mathrm {hot}} -T _ {\ mathrm {cold}}}}}

unde este $Q_{\mathrm {freddo} }$ ${\ displaystyle Q _ {\ mathrm {cold}}}$ ${\ displaystyle Q _ {\ mathrm {cold}}}$ este cantitatea de căldură extrasă dintr-un rezervor rece la temperatură $T_{\mathrm {fredda} }$ ${\ displaystyle T _ {\ mathrm {cold}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ mathrm {cold}}}$ Și $Q_{\mathrm {caldo} }$ ${\ displaystyle Q _ {\ mathrm {hot}}}$ ${\ displaystyle Q _ {\ mathrm {hot}}}$ este cantitatea de căldură distribuită unui rezervor fierbinte la temperatură $T_{\mathrm {calda} }$ ${\ displaystyle T _ {\ mathrm {hot}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ mathrm {hot}}}$ .

În faza de răcire, performanța unei pompe de căldură este descrisă de „EER” ( raportul de eficiență energetică ); pompa de căldură este de obicei mai eficientă la încălzire decât la răcire, deoarece mașina disipează întotdeauna o parte din energie în căldură, căldură care poate fi utilizată pentru încălzire. În cazul ideal al mașinii Carnot în direcție inversă (se furnizează muncă și se obține căldură), între surse respectiv la 0 ° C și 20 ° C, COP este egal cu 15 (raport 1:15 între lucrarea rezistențele electrice și căldura obținută). Mașini similare sunt eficiente, dar costul instalației este ridicat.

Într-un caz real, cu un climat blând, o pompă de căldură are un COP cuprins între 3 și 4 (în medie la 10 ° C ajunge la 3,3, în timp ce la -8,3 ° C este de aproximativ 2,3). ^[3] Un încălzitor electric clasic are un COP teoretic egal cu 1. Cu alte cuvinte, un joule de energie electrică dat încălzitorului dă căldură egală cu 1 J, în timp ce este dat unei pompe de căldură, acesta mută mai mult de 1 J de energie termică. de la un loc rece la unul cald.

Pentru pompele de căldură cu aer, COP este limitat atunci când funcționează în climă foarte rece, unde există mai puțină căldură de transferat într-o clădire. În mod obișnuit, COP scade dramatic atunci când temperatura aerului exterior scade sub −5 ° C / −10 ° C. ^[4] Atunci când cumpărați o pompă de căldură, este important să acordați atenție COP, la ce interval de temperatură se referă acest COP, la costul instalării pompei, la cât de multă căldură poate transfera, la zgomotul generat.

COP al unei pompe de căldură care folosește subsolul (de obicei apa subterană) este mai mare decât cea a pompei care folosește aerul, deoarece solul are o temperatură destul de constantă pe tot parcursul anului; pe de altă parte, instalarea sa este mai dificilă și mai costisitoare. ^[5]

Aplicațiile tipice ale pompelor de căldură sunt pentru încălzirea piscinelor și a apei menajere.

Pompa de căldură sursă de aer pentru aer condiționat

Un evaporator instalat pe un perete .

Există două tipuri de pompe de căldură cu sursă de aer; cea mai frecventă este aer-aer, care extrage căldura din aer și o revarsă în sau în afara unei clădiri, în funcție de anotimp ; apoi urmează acel aer- apă , care este utilizat în medii cu distribuție de apă a căldurii (această a doua soluție este totuși mai rară). ^[6]

Pompele de căldură cu aer pot fi:

proiectat să funcționeze împreună cu o sursă suplimentară de încălzire, cum ar fi un cazan electric, pe gaz , pe bază de petrol ;
deja echipat cu o rezistență electrică ca încălzitor suplimentar;
bivalente, dacă sunt echipate cu un încălzitor cu propan pentru a crește temperatura aerului care intră din exterior.

Faza de încălzire

Căldura este preluată din aerul exterior și adusă în interiorul clădirii.

Lichidul frigorific trece prin supapa de laminare și devine un amestec lichid-vapori de joasă presiune. Apoi intră în evaporator, plasat afară, unde absoarbe căldura până devine vapori la o temperatură scăzută;
Vaporii trec prin acumulator, unde este colectat și orice lichid rămas. Apoi este comprimat, rezultând o creștere a temperaturii;
Aburul fierbinte ajunge în condensator, care este radiatorul situat în interiorul clădirii (lângă orice cazan) și schimbă faza eliberând căldura de lichefiere. Lichidul obținut revine la supapa de laminare și ciclul se repetă.

La temperatura exterioară de echilibru, capacitatea de încălzire a pompei echilibrează pierderea de căldură a clădirii, în timp ce un cazan tradițional este necesar sub aceasta. Se subliniază că pompa de căldură produce aer în cantități mari (50-60 L / s pe kW ) la temperaturi cuprinse între 25 ° C și 45 ° C, având tendința de a funcționa pentru perioade mai lungi decât un cazan normal, care eliberează aer între 55 ° C și 60 ° C. ^[1]

Faza de răcire

Vara, ciclul descris tocmai este inversat pentru a schimba direcția fluxului de căldură: lichidul de răcire se evaporă în radiatorul intern și se condensează în radiatorul extern.

Faza de decongelare

Când radiatorul extern funcționează ca un evaporator, suprafața acestuia este la o temperatură scăzută atunci când și aerul extern este rece (faza de încălzire în sezonul de iarnă). Aceasta implică formarea de gheață pe aceasta, datorită prezenței umidității în aerul exterior și, în consecință, o reducere a eficienței schimbului de căldură (gheața este izolantă). Pentru a topi stratul de gheață, supapa reversibilă inversează ciclul și ventilatorul extern al evaporatorului se oprește, pentru a reduce energia termică necesară dezghețării. Evident, în timp ce mașina se află în această fază, radiatorul intern răcește aerul din clădire și, prin urmare, este necesar să-l încălzească înainte de a-l pune în circulație.

Există două moduri de a determina când să dezghețați:

cu un senzor de temperatură extern și un temporizator care inversează ciclul la intervale de timp prestabilite;
cu un sistem de control mai rafinat, care monitorizează debitul de aer, presiunea agentului frigorific, temperatura aerului.

A doua metodă, deși este mai scumpă, este preferabilă, deoarece evită dezghețarea inutilă și, prin urmare, îmbunătățește performanța sezonieră a mașinii.

Dimensionare

Chiar dacă pompa de căldură poate furniza toată căldura necesară unei clădiri, nu este convenabil când sarcinile pentru încălzire sunt mult mai mari decât cele pentru răcire: pompa, dimensionată pentru sezonul de iarnă, ar funcționa intermitent vara. COP mai mic și capacitate mai mică de dezumidificare.

Un compromis bun între cost și performanță sezonieră înseamnă că pompa de căldură furnizează nu mai mult de 125% din sarcina de vară și nu mai mult de 90% din sarcina de iarnă. Procedând astfel, temperatura de echilibru (cea la care pompa furnizează tot și numai căldura pe care clădirea o disipă) este cuprinsă între 0 ° C și -5 ° C. ^[7]

Pompa de căldură geotermală pentru aer condiționat

Același subiect în detaliu: Pompa de căldură geotermală .

Pompa de căldură geotermală folosește pământul sau apa găsită în pământ ca sursă sau radiator. Transportul energiei termice se realizează cu ajutorul aceleiași ape sau cu ajutorul unui lichid antigel, cu excepția pompelor de căldură cu expansiune directă, în care se folosește un fluid frigorific care circulă în schimbătorul plasat în pământ.

Spre deosebire de pompele de căldură cu sursă de aer, cele geotermale pot funcționa și în modul de răcire în modul pasiv: extrag căldura din clădire pompând apă rece sau antigel în sistem, fără acțiunea pompei de căldură propriu-zise.

Sistemul de conducte care trece prin sol poate fi deschis sau închis. În sistemul deschis, apa este extrasă dintr-un acvifer subteran, adusă la schimbătorul de căldură și apoi deversată într-un curs de apă, înapoi în același acvifer sau într-un bazin special construit (și care permite refiltrarea către sol). În sistemul închis, căldura este interceptată de la sol prin intermediul unei conducte subterane continue, cu un fluid refrigerant în interior (pentru pompele de expansiune directă) sau lichid antigel menținut la temperatură scăzută și presurizat. ^[8]

Ciclul de încălzire

În pompele de căldură cu expansiune directă, fluidul frigorific colectează căldura din subsol și apoi intră direct în compresor. În pompele de căldură care utilizează apă sau un lichid antigel, există un transfer intermediar de căldură (de la lichidele menționate mai sus la fluidul frigorific) într-un prim schimbător de căldură.

Apoi ciclul continuă ca în pompele de căldură cu aer.

Ciclul de răcire

Spre deosebire de pompele de căldură cu sursă de aer, dezghețarea nu este necesară, deoarece temperatura din subsol este mult mai stabilă, iar compresorul este situat în interiorul clădirii.

Randament

Pompele de căldură geotermale care funcționează cu apă subterană sau sistem deschis au o variabilă COP de la 3,6 la 5,2 și un EER între 3,4 și 5,0; cei cu circuit închis au un COP între 3.1 și 4.9, în timp ce EER între 2.9 și 4.5. ^[1]

Dimensionare

Ca și în cazul pompelor de căldură cu aer, nu este convenabil să dimensionați pompa geotermală pentru a satisface toate cerințele de energie termică ale unei clădiri; ar trebui dimensionat pentru 60-70% din sarcina maximă (suma energiei termice pentru încălzirea întregii clădiri și a apei calde necesare utilizatorilor), lăsând solicitări ocazionale unui sistem suplimentar. Procedând astfel, pompa furnizează 95% din energia termică totală utilizată.

Necesitatea apei subterane pentru o pompă de 10 kW este între 0,45 L / s și 0,75 L / s.

Sistem cu buclă închisă

Când spațiile sunt restricționate, conductele sunt așezate vertical, în găuri de 150 mm (mai înguste în schimb pentru sistemul de expansiune directă), la o adâncime cuprinsă între 18 și 60 m. De obicei, între 80 și 110 m de conducte sunt necesare pentru fiecare 3,5 kW de capacitate a pompei.
Când golurile sunt mai mari, conducta este plasată orizontal la o adâncime cuprinsă între 1 și 1,8 m. De obicei, între 120 și 180 m de conducte sunt necesare pentru fiecare 3,5 kW de capacitate a pompei.

Tubulatura, în afară de cazul expansiunii directe în care este realizată din cupru , este potrivită fie pentru polietilenă, fie pentru polibutilenă seria 100, cu îmbinările sudate termic, astfel încât durata să poată fi între 25 și 75 de ani; cu condiția ca contactul cu solul să fie corect, aceste materiale asigură o bună conducere termică . ^[9]

Considerații privind instalarea

Costul instalării poate fi de până la două ori mai mare decât cel al unui cazan tradițional și ar trebui recuperat, datorită economiilor de energie, în aproximativ 5 ani pentru a fi atractiv din punct de vedere economic. Rețineți că pompele geotermale permit o economie medie de energie de 40% față de pompele de aer și au o speranță de viață de aproximativ 20/25 de ani (mai mare decât pompele de aer, deoarece compresorul este supus unei tensiuni mai mici . Mecanic și este protejat de mediu ).

Pompa de căldură asistată de heliu

Același subiect în detaliu: pompa de căldură asistată de heliu .

Pompa de căldură asistată de heliu este un sistem integrat care vede utilizarea unei pompe de căldură și a panourilor solare termice ; în mod normal, aceste două tehnologii sunt utilizate separat (sau cel mult prin plasarea lor în paralel) pentru a produce ACM (apă caldă menajeră) și încălzire . ^[10] În acest sistem, panoul solar termic acționează ca o sursă de căldură la temperatură scăzută și căldura produsă este utilizată pentru alimentarea evaporatorului pompei de căldură. ^[11] Scopul este de a realiza COP-uri ridicate și, astfel, de a produce energie mai eficient și mai ieftin.

Notă

^ ^a ^b ^c ^d Walter Grassi, Pompele de căldură , Walter Grassi, 2016, ISBN 9788892558762 .
^ Funcționarea unui frigider , pe science.unitn.it . Adus 22.06.2016 .
^ Chillere și pompe de căldură , pe puntidifisica.wikidot.com . Adus 21/06/2016 (arhivat din original la 16 august 2016) .
^ (RO) Sunt pompele de căldură cu sursă de aer o amenințare pentru furnizorii de pompe de căldură geotermale? , pe forbes.com , Forbes. Adus 22.06.2016 .
^ (RO) Orice pompă de căldură geotermală este mai bună decât orice pompă de căldură cu sursă de aer de pe geojerry.com. Adus 22.06.2016 .
^ (EN) Pompe de căldură cu sursă de aer , pe energy.gov. Adus 22.06.2016 .
^ Manual de proiectare: încălzire și răcire cu pompe de căldură ( PDF ), pe dimplex.de . Adus 22.06.2016 .
^ (EN) Pompe de căldură geotermale , pe energy.gov. Adus 22.06.2016 .
^ (EN) Biagio Morrone, Gaetano Coppola și Vincenzo Raucci, Economii de energie și economice folosind pompe de căldură geotermale în diferite climaturi , în Conversia și gestionarea energiei, vol. 88, nr. 1, 2014, pp. 189-198, DOI : 10.1016 / j.enconman.2014.08.007 .
^ (EN) Pompe de căldură asistate de solar , pe bine.info. Adus 21/06/2016 (arhivat din original la 28 februarie 2020) .
^ Pompe de căldură asistate de heliu , pe climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it . Adus 21/06/2016 (arhivat din original la 7 ianuarie 2012) .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre pompa de căldură

linkuri externe

( EN ) Pompa de căldură , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Programul de colaborare tehnologică IEA privind tehnologiile de pompare a căldurii, HPT TCP , la heatpumpingtechnologies.org .
GAHP: POMPE DE CALDURĂ CU ABSORBȚIE DE GAZ , pe tutorcasa.it .
( RO ) Pompele de căldură Se așteaptă mult de la încălzirea globală ( PDF ), pe hptcj.or.jp . Adus 21.06.2016 .
( RO ) Încălzirea și răcirea cu o pompă de căldură ( PDF ), la nrcan.gc.ca . Adus 21.06.2016 .
Video al fluidului din interiorul unui evaporator , la live.pege.org .
Articol despre pompele de căldură , pe expoclima.net .
Pompe de căldură cu absorbție de gaze , pe expoclima.net .
Eco-bonus de 65% pentru pompele de căldură , pe newisistemienergetici.it .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 24024 · LCCN (EN) sh85059801 · GND (DE) 4064195-8 · BNF (FR) cb11932834g (dată) · NDL (EN, JA) 00.568.136

Portalul Energiei	Portalul de fizică	Portal de inginerie
Portal mecanic	Portal de știință și tehnologie	Portalul Termodinamicii

[ref1-1] Walter Grassi, Pompele de căldură , Walter Grassi, 2016, ISBN 9788892558762 .

[ref2-2] Funcționarea unui frigider , pe science.unitn.it . Adus 22.06.2016 .

[ref3-3] Chillere și pompe de căldură , pe puntidifisica.wikidot.com . Adus 21/06/2016 (arhivat din original la 16 august 2016) .

[4] (RO) Sunt pompele de căldură cu sursă de aer o amenințare pentru furnizorii de pompe de căldură geotermale? , pe forbes.com , Forbes. Adus 22.06.2016 .

[5] (RO) Orice pompă de căldură geotermală este mai bună decât orice pompă de căldură cu sursă de aer de pe geojerry.com. Adus 22.06.2016 .

[6] (EN) Pompe de căldură cu sursă de aer , pe energy.gov. Adus 22.06.2016 .

[7] Manual de proiectare: încălzire și răcire cu pompe de căldură ( PDF ), pe dimplex.de . Adus 22.06.2016 .

[8] (EN) Pompe de căldură geotermale , pe energy.gov. Adus 22.06.2016 .

[9] (EN) Biagio Morrone, Gaetano Coppola și Vincenzo Raucci, Economii de energie și economice folosind pompe de căldură geotermale în diferite climaturi , în Conversia și gestionarea energiei, vol. 88, nr. 1, 2014, pp. 189-198, DOI : 10.1016 / j.enconman.2014.08.007 .

[10] (EN) Pompe de căldură asistate de solar , pe bine.info. Adus 21/06/2016 (arhivat din original la 28 februarie 2020) .

[11] Pompe de căldură asistate de heliu , pe climatizzazioneconfontirinnovabili.enea.it . Adus 21/06/2016 (arhivat din original la 7 ianuarie 2012) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]