Utilizarea aerului ambiant si a energiei geotermale de mica adancime

O caracteristica tipica a aerului ambiant si a caldurii de suprafata este aceea ca au un nivel de temperatura scazut. Caldura este generata in mare parte de radiatiile solare (capitolul 2). Doar o mica parte din energia din sol (adica energia geotermala de suprafata) nu este produsa de soare, ci de fluxul de energie geotermala cauzat de potentialul de caldura existent in pamant (energie geotermala de adancime). Ponderea energiei geotermale creste proportional odata cu cresterea adancimii fata de suprafata pamantului (capitolul 2). Cu toate acestea, acest tip de energie este definit ca energie geotermala, independenta de originea energiei de la suprafata pamantului (fie sau nu ca rezulta din radiatii solare sau/si din energie geotermala stocata in adancime)(Fig.9.1)

Figura . Fig. 9.1 Definitii terminologice

In concordanta cu aceasta terminologie, s-a convenit ca utilizarea energiei geotermale in general, si a energiei geotermale de mica adancime in particular, incepe la suprafata pamantului (Fig.9.1). Diferenta dintre folosirea energiei geotermale de mica adancime si energie geotermala din straturi mai adanci (Capitolul 10) este arbitrara si provine la o reglementare administrativa originara din Elvetia. Conform acelei reguli, sistemele pentru folosirea energiei geotermale de adancime, de sub 400 m, au fost subventionate deoarece presupuneau riscuri legate de foraj s-au diminuat deoarece transmiteau riscul procesului de perforare. Cum n-a existat nici o instalatie in exploatare pentru operarea la adancimi intre 200 si aproximativ 500 m pentru o bucata mare de timp, aceasta era considerata ca limita. O valoare de 400 m a fost intre timp adoptata de alte acte normative principii (ex. cel german VDI 4640) ca limita inferioara aproximativa a folosirii energiei geotermale de mica adancime. Oricum, fixarea unei asemenea limite exacte de trecere dintre utilizarea caldurii de mica adancime si cea de adancime, este foarte problematica, deoarece progresele dezvoltarile tehnice permit, de ex. pentru sondele de energie geotermala, atingerea de adancimi tot mai mari.

Aerul ambiant si energia geotermala de mica adancime pot fi exploatate de un numar de tehnologii, metode si concepte diferite. Cum energia disponibila este generata in mod normal la un nivel scazut de temperatura (sub 20 ^oC), de obicei este necesar un dispozitiv care sa creasca temperatura astfel incat sa permita utilizarea tehnica a caldurii (ex. pentru a incalzi o cladire rezidentiala). Aceasta inseamna ca in sistem trebuie inclusa o pompa de caldura. Alternativ, nivelul de temperatura de subsol poate fi marit prin adaugare de caldura suplimentara (ex. de la energia solara folosind colectoare solare sau caldura in exces din procesele industriale). Aceasta optiune a fost pusa rareori in practica pana acum. Pentru a exploata energia aerului ambiant conditionat si energia geotermala de mica adancime, este necesar intotdeauna consumul de energie din exterior energie generata in plus (ex. electricitate din reteaua publica, gaze naturale, biogaz, combustibili).

De aici rezulta ca un sistem care sa furnizeze energie finala sau utila folositoare prin folosirea aerului ambiant conditionat si a energiei geotermale de mica adancime, este constituit din trei parti:

1. Sistemul sursei de caldura pentru a permite extragerea energiei din aerul ambiant conditionat si din pamantul de suprafata.
2. Pompa de caldura sau alt sistem tehnic esential pentru cresterea nivelului de temperatura si
3. Mediul care primeste caldura; sistemul caruia ii este furnizata caldura la un nivel mai ridicat de temperatura. Aceasta crestere este obtinuta prin folosirea unei pompe de caldura.

Principiile si realizarea lor tehnica, pe care se bazeaza primele doua elemente ale sistemului, vor fi descrise in cele ce urmeaza. Sistemele absorbante de caldura, oricum, sunt sisteme standard pentru incalzire si astfel nu sunt tratate separat. In plus, dupa o descriere a principiilor pompelor de caldura ca baza a folosiri caldurii de temperatura scazuta, vor fi discutate initial diferitele conceptele tehnice ale sistemelor de surse de caldura. Dupa aceea vor fi prezentate principiile tehnice ale pompei de caldura si sistemul total. Aceasta duce la o analizarea sistemului din punct de vedere economic si al mediului inconjurator, aratand de asemenea potentialul si formele lor de utilizare.

9.1 Principii

In timpul laminarii izentalpice diminuarii entalpiei constante a gazului real, temperatura descreste daca nu este adaugata caldura externa. Invers, in timpul comprimarii la entalpie constanta a unui gaz sau a unui fluid real, temperatura creste. Acest proces, cunoscut ca drept efect Joule-Thomson este bazat pe interactiuni inter-moleculare intre moleculele de gaz. In timpul lucrului mecanic de destindere expansiune, este necesar sa se contracareze neutralizeze atractia moleculelor. Aceasta lucru mecanic munca reduce energia interna, care duce la descresterea temperaturii. Astfel, efectul Joule-Thomson este o masura a devierii gazelor reale de la cele ideale.

Fara dispozitive auxiliare, fluxul curentul de caldura poate trece doar de la o temperatura mare la una mica. Pentru a face utilizabile aerul ambiant conditionat si energia geotermala de mica adancime, directia fluxul curentului trebuie inversata. Caldura este absorbita la temperaturi scazute (din mediul inconjurator) si apoi eliberata din nou la temperaturi mari (ex. la un radiator, pentru incalzirea apei). Pentru a permite o asemenea "pompare de caldura" de la temperaturi mici catre cele mari, este necesar un echipament corespunzator si energie de calitate ridicata (ex. electricitatea).

Pentru a mentine temperatura aproape constanta in timpul primirii si cedarii de caldura - de cele mai multe ori prin evaporare si condensare - se foloseste circulatia unui agent frigorific refrigerant. Pe partea de joasa presiune, caldura e absorbita la o temperatura scazuta, constanta, prin evaporarea agentului frigorific refrigeratului (adica energia din aerul ambiant conditionat si pamantul de suprafata). Caldura trece curge de la aceasta sursa de caldura rece, spre refrigerant care este si mai rece. Dupa aceea, este ridicata adaugata presiunea intr-un compresor. Aceasta duce la o crestere in temperatura cauzata de efectul Joule - Thomson si de comprimarea la entalpie constanta. La aceasta presiune si nivel de temperatura ridicata, caldura poate fi cedata eliberata printr-un condensator sursei de caldura care trebuie incalzita. Din nou caldura trece curge de la o temperatura mare spre una usor mai mica. In timpul procesului de pompare a caldurii, refrigerantul este condensat in condensator si uneori sub-racit. Dupa aceea este dus la un ventil o supapa unde este destins si racit prin efect Joule - Thomson. Dupa aceea, procesul de evaporare incepe din nou.

Fig. 9.2 arata doua reprezentari ale ciclului termodinamic al unei pentru o pompa de caldura. Diagrama lg p-h din dreapta este mai clara, deoarece acolo sunt vizibile ambele nivele de presiune. Energiile interne in partile individuale ale sistemului nu se schimba, presupunand un proces ciclic circular stationar. Astfel, fluxul de caldura al fiecarei parti rezulta ca produsul dintre din debitul masic masa de curgere si diferenta de entalpie a acelei parti din procesul ciclic circular. Astfel, fluxurile cursul de caldura ale procesului individual pot fi verificate din diagrama lg p-h ( Ecuatia 9.1).

TD_s ( . )

In diagrama T-s (diagrama temperatura-entropie) din stanga figurii 9.2, aparent exista o temperatura semnificativ mai mare la refularea compresor decat in timpul condensarii care urmeaza dupa aceea. O parte din mediul de absorbtie a caldurii poate fi la un nivel de temperatura semnificativ semnificant mai mare decat temperatura de condensare. Prin utilizarea exploatarea condensarii si evaporarii, o mare parte din caldura poate fi primita sau cedata incarcata sau descarcata la o temperatura constanta, lucru care este un avantaj pentru majoritatea surselor de caldura si medii de absorbtie. Capacitatile termice de caldura pot fi citite din diagrama T-s ca fiind ariile din zonele de dedesubtul curbei (T Ds).

Figura . Fig. 9.2 Procesele din pompele de caldura cu comprimare mecanica de vapori Procesul de comprimare a caldurii aratate in diagrama T-s si diagrama lg p-h

Principiul pompei de caldura. Pompa de caldura este "un dispozitiv care absoarbe caldura la o temperatura specifica (partea rece) si o elibereaza din nou la un nivel de temperatura mai ridicat (partea calda) dupa ce se adauga lucrul mecanic". O pompa de caldura poate extrage energia termala din o sursa de caldura la un nivel de temperatura scazut (ex. aer conditionat). Energia termala absorbita incluzand lucrul mecanic transformat intr-o caldura poate fi apoi distribuita pentru utilizare ca energie termala la un nivel mai ridicat de temperatura.

Depinzand de functionalitatea pompei de caldura, aceasta poate fi incarcata cu necesarul de energie de conducere intr-o forma de energie mecanica. Conform principiului de actionare rezultat, pompele de comprimare si de absorbtie pot fi diferentiate. In plus, pompele de absorbtie a caldurii sunt divizate in sisteme de absorbtie si adsorbtie; pana acum cele din urma au fost cu greu semnificante pentru aplicatiile analizate aici. Principiile de baza ale functionalitatii - cu exceptia sistemului de adsorbtie - vor fi prezentate in detaliu in cele ce urmeaza. Pentru pompele de comprimare a caldurii, vor fi asumate procese de vapori reci.

Pompe de caldurii cu comprimare de vapori. In pompe de comprimare a caldurii, are loc un ciclu de vapori aburi intr-un circuit inchis care consta din cei patru pasi: evaporare, comprimare, condensare si destindere extindere. Acest sistem este constituit din:

• un vaporizator
• un compresor cu dispozitiv de antrenare drive plus
• un condensator
• o valva de expansiune (Fig. 9.3)

In plus, pentru Pe langa componentele de control esentiale pentru operare, mai sunt necesare si alte componente de sistem si mecanisme auxiliare cum ar fi ventile, un manometru, mecanisme de securitate.

Fig. 9.3 Schema de baza pentru cursul de caldura al pompei de comprimare a caldurii.

Compresorul este antrenat condus mecanic de un motor electric sau cu combustie. Motoarele cu combustie pot cupla caldura generata prin racirea motorului cu procesul de incalzire.

Agentul de lucru care circula in pompa de caldura este vaporizat in vaporizator la o presiune mica si temperatura scazuta (uneori sub 0^oC) prin adaugare de caldura. Caldura este disponibila de la aerul ambiant sau energia geotermala de mica adancime prin intermediul unui purtator de caldura. Agentul de lucru, acum gazos dupa primirea retragerea energiei de la sursa de caldura, este aspirat si compresat de un compresor. In timpul acelui proces, temperatura creste pana la un nivel mai inalt. Inca la o presiune mare, agentul de lucru este lichefiat in condensator, descarcand caldura in sistemul de utilizare a caldurii. Dupa aceea, curge la o sectiune cu temperatura mai mica prin ventilul de expansiune. Acum circuitul incepe porneste din nou. Vaporizatorul si condensatorul ca schimbatoare de caldura, reprezinta legaturile interconexiunile pompei de caldura cu restul sistemului.

Pompe de caldura cu absorbtie. Aceste pompe constau dintr-un vaporizator, un absorber, un desorber, admisie, refulare si un condensator. Doua ventile de laminare si o pompa de solvent sunt necesare pentru functionare operatie. in timp ce la pompele cu comprimare de vapori este folosit un compresor mecanic, la pompele de caldura cu absorbtie este folosit un "compresor termic". Energia pentru acest "compresor termic" este in mare parte termica (desorbitor); aceasta energie termica poate fi furnizata prin arderea de gaze sau petrol sau folosind deseuri industriale. Recent s-au incercat metode de aprovizionare a acestei calduri prin colectoare solare.

Un amestec de doua componente (asa numitele perechi de lucru) circula impreuna prin circuitul de solvent al pompei de caldura cu absorbtie. Unul dintre aceste componente (fluidul mediul de lucru) este foarte solubil in cel de-al doilea component (solventul). Combinatii clasice de acest tip sunt apa/bromura de litiu si amoniac/apa. Prima substanta este mereu agentul de lucru iar al doilea este solventul.

Procesul din condensator, ventilul de laminare si vaporizatorul pompei de absorbtie a caldurii este identic cu pompa de comprimare a caldurii. In contrast, procesul de comprimare provine din doua circuite care se suprapun cu un nivel diferit de presiune. ( Fig 9.4).

Pompa de solvent permite conexiunea dintre doua nivele de presiune. Ii trebuie mai putina energie de antrenare conductoare decat o pompa de comprimare, deoarece un agent lichid poate fi impins spre un nivel de presiune ridicat, avand nevoie de mai putina energie decat un agent gazos.

Fig. 9.4 Schema circuitului de baza al unei pompe de absorbtie a caldurii.

La admisia, agentul gazos din vaporizator (apa/bromura de litiu) si amoniac/apa este aspirat de solventul concentrat. in acest proces este eliberata Caldura. Solutia diluata este apoi pompata prin cresterea presiunii in desorbitor, unde agentul de lucru este inlaturat din solvent din nou prin adaugare de caldura (energie de antrenare) si apoi ajunge la condensator. Intr-un proces de condensare, elibereaza caldura. Agentul de lucru parcurge aceeasi pasi in ventilul de expansiune si vaporizator ca in pompele de caldura cu comprimare de vapori. Acesta ajunge din nou la absorbitor in forma sa gazoasa, in timp ce solventul redus este transportat direct de la desorbitor la absorbitor din nou prin intermediul unui ventil de laminare tr-o admisie pentru a resorbi agentul de lucru. astfel este generata in absorbitor si condensator Caldura utilizabila.

Puritatea unui agent de lucru dupa intrarea in circuitul pompei de caldura este importanta pentru o operare eficienta. Ea depinde de diferentele dintre temperaturile de fierbere. Daca sunt folosite o sare si un fluid (ex. apa/bromura de litiu), este o diferenta un gol mare si agentul de lucru; apa este disponibila in conditii foarte pure. Daca sunt folosite apa si amoniac, amoniacul ia rolul de agent de lucru deoarece are un punct de fierbere mai scazut. Componentele suplimentare sunt integrate aici pentru a asigura un nivel ridicat de puritate al mediului de lucru in ciuda diferentelor mici dintre punctele de fierbere.

Una peste alta, pompa de absortie a caldurii, absoarbe caldura la un nivel scazut de temperatura (ex. aerul ambiant sau energia geotermala de mica adancime) in vaporizator. Energia conductoare trebuie sa fie folosita in desorber si pompa de solvent. Consumul principal de energie de antrenare conductoare are loc in absorbitor sub forma de caldura ("compresor termic"). Consumul de energie necesar pentru a conduce pompa de solvent pentru a pompa si a creste presiunea solventului lichid este mic.

Parametri. Conform primului principiu al termodinamicii, bilantul energetic al pompei de comprimare a caldurii este descris in ecuatia 9.2. _Evap reprezinta descrie cursul caldurii la vaporizator, P_Drive puterea de conducere a compresorului si _Cond cursul de caldura livrat de condensator.

Randamentul Eficienta unei pompe de caldura poate fi cuantificat printr-un parametru similar cu eficienta sau coeficientul de utilizare al altor aparate. Eficienta sau coeficientii de utilizare sunt in general definiti ca raportul dintre "iesire" si "intrare". Astfel, el este mereu subunitar.

Aceasta definitie ridica problema nivelului de "alimentare" pentru incalzirea vaporizatorului pompei de caldura. Aceasta este condusa afara din suprafata pamantului sau a aerului ambiant in acest caz. Cantitati de caldura care ar fi altfel neutilizate si sunt acum utilizate de pompe de caldura reprezinta "alimentare". De aceea, ele nu sunt luate in considerare la calculul parametrilor de energie - cum este normal facut pentru un sistem care foloseste exclusiv combustibili fosili.

Astfel, parametrii rezultati pot fi peste "unu" - deoarece nu toata energia utilizata de pompa de caldura este echilibrata - (comparabil cu "randamentul eficienta" sau "coeficientul de utilizare"). Din acel motiv, pentru a descrie eficienta sau rata de utilizare a unei pompe de caldura (adica coeficientul de performanta (COP), factorul de performanta sezoniera (SPF) si raportul de incalzire), sunt definiti parametri speciali. In plus, ca valoare reciproca a COP si factorului de performanta, in tabelul 9.1este analizat raportul de alimentare. Cum unii termeni sunt folositi numai in tarile vorbitoare de limba germana, termenii germani sunt dati in paranteza. In cele ce urmeaza, sunt folositi numai cei doi parametri COP si SPF folositi in zonele cu vorbire in engleza precum definiti in tabelul 9.1. Parametrii principali sunt explicati in detaliu in cele ce urmeaza.

Tabelul 9.1 Parametrii pompelor de caldura( expresii germane in paranteze pentru definirea tarilor vorbitoare de limba germana).

Coeficientul de performanta (COP). COP pentru pompe de caldura antrenate conduse electric, este definit ca raportul dintre caldura utila, cedate de descarcata condensator si pentru surse anumite temperaturi al surselor specifice de caldura. Astfel poate fi comparata cu eficienta sistemelor conventionale de incalzire. El este dependent de conditiile de operare ale sistemului. In acest caz, doar cantitatea de energie folosita pentru functionarea pompei de caldura (ex. energia electrica folosita pentru a antrena pompa de caldura) este considerata ca "energie consumata" (Ecuatia 9.3). e descrie rata de eficienta, Q_Evap, cursul de caldura pana la vaporizator, P_Drive puterea de functionare a compresorului si Q_Cond cursul de caldura al condensatorului.

Diferentele de temperatura dintre sursa de caldura si sistemul de incalzire (sisteme de utilizare a caldurii) are o influenta considerabila asupra eficientei. In plus, un rol important il au refrigerantul si schema proiectarea pompei de caldura. La cresterea diferentei de temperatura dintre sursa de caldura si sistemul de utilizare a caldurii, raportul de eficienta al pompei de caldura descreste. Aceasta rezulta si poate fi derivata din diagrama lg p-h din figura 9.1. Daca diferentele de temperatura dintre vaporizator si condensator cresc, creste in acelasi timp diferenta de presiune dintre cele doua puncte. Astfel, compresorul trebuie sa realizeze un raport mai mare de comprimare si de aceea trebuie sa contribuie o diferenta a entalpiei mai mare. Diferenta de entalpie din condensator, ramane oricum aproape la fel daca presiunea creste. Pentru a atinge un COP ridicat, temperatura sursei de caldura trebuie sa poate fie cat mai inalta si fluxul in sistemele de utilizare a caldurii cat de mic posibil.

Puterea mecanica Work rate . Eficienta pompelor de caldura electrice pe o perioada lunga de timp este descrisa de Work rate. Aici, caldura descarcata este comparata cu lucrul mecanic consumat. Pe langa lucrul mecanic pentru compresor, sunt luate in considerare consumul energetic al componentelor auxiliare care apartin de pompa de caldura (ex. pompe), si pierderile din timpul operatiilor. Aceasta permite descrierea eficientei sistemului pentru o perioada definita de timp (ex. ritmul anual de munca sau factorul de performanta sezoniera (SPF) in cursul unui an). In timp ce COP este determinat pentru anumite conditii de functionare (temperaturi), aceste conditii sunt definite de conditiile practice de functionare din sistemul de incalzire. Fiabilitatea (in mare parte Work rate anuala sau factorul de performanta sezoniera) este astfel mai semnificativ pentru a descrie eficienta sistemelor de pompe de caldura.

Fluxul Raportul de caldura. Pentru pompele de caldura cu absorbtie si pompele de caldura functionand cu motoare cu combustie care folosesc gaze naturale, propan sau diesel ca energie conductoare, raportul de caldura este folosit in schimbul ratei de eficienta. In loc de Work rate, este furnizat SPF. Pentru acesta din urma energia utilizabila este comparata cu continutul de energie al purtatorilor de energie pentru o perioada definita de timp (de obicei un an).

Considerand eficienta energiei primare a generarii si distributiei de energie electrica, Work rate anuale al pompelor actionate electric poate fi comparata cu raportul de caldura anual. Pentru tarile vorbitoare de limba engleza, raportul de caldura este definit ca COP si SPF.

9.2 Descrierea tehnica

Sistemele care folosesc ca sursa de caldura aerul ambiant sau energie geotermala de mica adancime - fara a se lua in considerare sistemul de distributie a caldurii (mediu absorbant de caldura) din cladire, care este similar pentru multe sisteme energetice de aprovizionare si nu vor fi analizate mai departe - sunt formate din doua componente principale: sistemul sursei de caldura si pompa de caldura. Aceste elemente individuale ale sistemului sunt descrise si discutate in cele ce urmeaza.

9.2.1 Sistemul sursei de caldura pentru utilizarea aerului conditionat.

Aerul este in general disponibil aproape pretutindeni ca sursa de caldura. Poate furniza o gama larga de caldura necesara la temperaturi foarte variate. Pentru a atinge schema optima a instalatiei, sunt necesare variatia sezoniera si cea zilnica a temperaturii aerului si daca e posibil, si umiditatea care poate furniza caldura prin condensare. Utilizarea sursei de caldura "aer conditionat", oricum, cauzeaza unele probleme specifice /9-2/:

• Densitatea specifica mica (raportul dintre densitatea apei si cea a aerului este 1.000; adica densitatea apei este de 1.000 ori mai mare decat densitatea aerului) si de caldura specifica, care este de 4 ori mai mica, cere o cilindree deplasari volumetrice mari si astfel, masini mari. Daca dimensiunile sunt prea mici, pot apare probleme acustice. In plus, un sistem auxiliar potrivit este necesar pentru ventilatoare.
• Temperaturile puternic fluctuante in timpul sezonului cald - temperaturi foarte mici sau foarte inalte au loc foarte rar si temperatura inconjuratoare este probabila sa fie in medie de -3 pana la 11 ^oC in cele mai multe tari ex. in Europa - cer un echipament cu intrari ridicate.
• In cazul incalzirii cladirilor, ca principala forma de utilizare, diferenta substantiala dintre capacitatea de incalzire a pompei de caldura influentata de temperatura inconjuratoare si necesarul de caldura al unei cladiri, joaca un rol suplimentar. Cu cat temperatura inconjuratoare este mai mica, cu atat mai mare este necesarul de caldura al casei. Simultan, diferenta de temperatura dintre sursa de caldura si mediul absorbant de caldura (temperatura initiala mare la sistemul de utilizare al caldurii, datorita unui nivel inalt de necesar de caldura al unei case) creste. O diferenta mai mare de temperatura duce la o capacitate de incalzire mai mica si la un COP mai scazut al pompei de caldura ( Fig.9.5).

Fig.9.5 Divergenta intre capacitatea de incalzire a unei pompe de caldura, proiectata pentru folosirea aerul ambiant conditionat si necesarul cerintele de caldura al unei cladiri.

Caldura poate fi extrasa retrasa din aerul ambiant in moduri variate. Cea mai comuna metoda este aceea ca aerul ambiant se duce direct in jurul vaporizatorului pompei de caldura care extrage caldura. In general, vaporizatorul este construit ca un schimbator de caldura nervurat cu fascicule de tevi nervurate de partea aerului in paralel, prin care curge un agent frigorific. Debitul volumic de aer prin vaporizatorul PC Capacitatea sursei de caldura ar trebui sa fie intre 300 si 500 m³/kW. Viteza de curgere a aerului in schimbatorul de caldura ar trebui sa fie sub 2 m/s pentru a preveni producerea de prea mult zgomot si un consum excesiv de electricitate pentru ventilator, ca parte integrala a pompei de caldura care are un efect negativ asupra COP. Daca aerul este racit la suprafata schimbatorului de caldura sub 0^oC, umiditatea se condenseaza si se depune sub forma de gheata pe peretii vaporizatorului. Aceasta poate avea loc la temperaturi de intrare ale aerului sub 6 ^oC. Pentru a preveni vaporizatorul sa se "blocheze", acesta trebuie sa fie dezghetat ocazional in cazul unor astfel de conditii de functionare. Timpii de oprire duc la pierderi in capacitatea de incalzire, care duce la un declin in SPF.

Daca nu este folosit nici un ventilator, vaporizatoarele sunt numite "vaporizatoare silentioase". Aerul ambiant este apoi doar mutat prin convectie transmitere libera, aceasta duce la un coeficient de transfer de caldura mai mic. Datorita nivelului scazut al transferului de caldura, asemenea vaporizatoare silentioase necesita o suprafata mai mare. Cu toate acestea avantajul, este acela ca opereaza in liniste completa. Pentru a implementa aceasta forma de vaporizator, probleme de acceptare vor fi intampinate datorita volumului constructiv mare. Dezghetarea vaporizatoarelor silentioase este de asemenea problematica.

In general pot fi diferentiate trei tipuri de utilizare a aerului ambiant ca sursa de caldura.

• Instalatii exterioare. Fig. 9.6 din stanga arata aceasta forma de utilizare a aerului ambiant in pompe de caldura. Prin urmare, pompa de caldura este in totalitate instalata in aer liber. Caldura este transferata in casa prin tuburi bine izolate. Un avantaj general al instalarii pompei de caldura in aer liber, este minimalizarea zgomotului inauntrul casei. In plus, aceasta forma de instalare necesita doar o zona mica in interiorul cladirii. Oricum, trebuie asigurat ca tuburile de caldura sa nu se raceasca sub 0^oC, pentru a evita inghetul.
• Instalatii split. O posibila metoda de prevenire a inghetului tuburilor de incalzire, sunt instalatiile split. Aici, vaporizatorul pompei de caldura este instalat in afara casei (avantaj: minimalizarea zgomotului in cladire) si restul pompei de caldura este instalata in casa (Fig.9.6 din dreapta). Ambele parti ale pompei de caldura sunt legate prin tuburile cu agent. In comparatie cu instalatiile exterioare, aceasta forma de instalare necesita mai mult spatiu inauntrul cladirii. Partea din pompa de caldura instalata inauntru, oricum, poate fi atarnata de perete, salvand astfel spatiu. Acest tip de instalatie poate fi folosit si in cladiri vechi, deoarece nu este necesara nici o munca de instalare majora. Tot ceea ce necesita, este strapungerea unor pereti pentru asezarea tevilor refrigerante. Umiditatea condensata la vaporizator trebuie sa fie evacuata intr-un mod care sa previna inghetarea sub vaporizator.

Fig.9.6 Pompa de caldura care foloseste aerul ambiant ca sursa de caldura (stanga:instalatie exterioara, dreapta: instalatie split).

• Instalatii interioare. O alt tip de instalatie este pompa de caldura integrata complet in cladire (Fig. 9.7). In acest caz, aerul ambiant trebuie sa fie transportat catre pompa de caldura prin conducte de aer care sunt bine izolate impotriva caldurii si a zgomotului. Aerul racit trebuie sa fie din nou evacuat in mediul inconjurator. Intrarile si orificiile de evacuare trebuie construite in asa fel incat sa evite o "scurt-circuit" intre aerul rece evacuat si aerul introdus.

Fig. 9.7 Pompele de caldura care folosesc aerul ambiant ca sursa de caldura( instalatie interioara).

Absorberele plate orizontale cu tuburi vaporizatoare integrate combina utilizarea aerului ambiant si radiatiilor solare. Deseori un circuit cu saramura apa sarata este instalat intre absorber si vaporizator, deoarece recirculatia uleiului petrolului in circuitul refrigerant nu este asigurata in cazul absorbitoarelor plate orizontale. Deoarece acestea folosesc radiatiile solare directe, sunt importante locatia si directia. In plus, trebuie sa existe o cale de a elibera condensul creat de absorbitor.

O forma speciala de schimbator de caldura, care apartine grupului de absorbere plate orizontale sunt, absorberele solide. Tuburile schimbatorului de caldura al acestui tip de absorbitor sunt incastrate bagate in componente solide si astfel folosesc caldura inconjuratoare absorbita indirect de suprafetele externe din beton. O cantitate mare din aceasta caldura inconjuratoare o reprezinta energia radiatiilor solare. Datorita masei mari a componentelor, absorbitoarele solide pot stoca o cantitate mare de caldura si astfel compenseaza fluctuatiile din aerul ambiant si radiatii solare. Absorbitoarele solide au in mod normal un fel de functionalitate precum componentele de constructie ale ca componentele unei case. Pentru a da niste exemple, ziduri, pereti cu protectie de zgomote, pereti externi ai cladirilor pot fi construite ca absorbitoare solide.

9.2.2 Sistemele surselor de caldura pentru utilizarea energiei geotermale de mica adancime.

Sursele de caldura care folosesc solul de la suprafata, utilizeaza in general caldura stocata in pamant (adica in sol sau in roci si umplutura porilor lor - in mare apa). Ele difera in primul rand in forma de extragere a caldurii din subsol sau eliberarea de caldura in subsol. Se pot distinge doua variante de baza (Tabelul 9.2).

• Sistemele inchise. Unul sau mai multe schimbatoare de caldura orizontale sau verticale sunt instalate in pamant. Un mediu de transfer a caldurii (ex. apa (cu compusi anti-inghetare in cele mai multe cazuri, sau agent frigorific) curge printr-un circuit inchis. Acest proces extrage caldura din subsol (din sol sau roci si umplutura porilor acestora) (sau il incarca cu caldura pentru racirea spatiilor vara). Transferul de caldura dintre purtatorii de caldura si subsol are loc prin conductia caldurii. Purtatorii de caldura nu sunt in contact direct cu solul sau rocile. De aceea, sistemele de acest tip pot fi folosite teoretic aproape pretutindeni.
• Sisteme deschise. La folosirea apei subterana, aceasta este pompata direct prin sonde din zacamintele cu apa subterana. Astfel, apa subterana este ea insasi un purtator de caldura. Este racita dupa aceea (sau incalzita pentru racirea spatiilor vara) si transferata in acelasi acvifer printr-o sonda de injectie. In subsol, are loc un transfer de caldura intre apa subterana si solul sau rocile. Apa subterana ca purtator de caldura nu este circulata intr-un circuit definit si acela, mai mult decat atat, e in contact direct cu acviferul; de aceea aceste sisteme sunt numite sisteme deschise (Tabelul 9.2). Conditia esentiala pentru aceste sisteme este existenta zacamintelor corespunzatoare apropiate cu apa subterana in subsol.
• Alte sisteme. In plus, exista alte variatii care nu se incadreaza potrivesc exact in categoriile mentionate pana acum. Acestea sunt sisteme care nu sunt complet izolate fata de apa subterana; sisteme care folosesc apa din cavitati artificiale de sub pamant si un sistem pentru preincalzirea aerului, unde purtatori de caldura sunt izolati fata de impotriva subteran, dar nu circula, deoarece aerul proaspat este aspirat in continuu inauntru.

Aceste diferite sisteme de surse de caldura pentru utilizarea energiei de suprafata sunt descrise in cele ce urmeaza.

Tabelul 9.2 Variatii ale utilizarii energiei de mica adancime.

The depth values are typical mean values; ^a water-antifreeze mix (in the past salts, nowadays rather types of alcohol or glycol); ^b high density polyethylene

Sisteme inchise. Schimbatoarele de caldura cuplate cu solul pentru sistemele inchise sunt diferentiate ca schimbatoare de caldura cu instalare orizontala sau verticala. In plus, exista forme speciale care nu pot fi clasificate clar (componente in contact cu solul) si nu sunt folosite de obicei pentru generarea de energie (de ex. utilizare dubla).

Schimbatoare de caldura cuplate cu solul, instalate orizontal. In figura 9.8 sunt aratate doua forme de instalare ale acestor schimbatoare, in forma de registre de tuburi, uzuale in Europa pentru sistemele inchise (numite si colectoare de caldura cuplate cu solul). Tuburile metalice (galvanizate) in sistemele cu evaporare directa si tuburile de plastic din sistemele cu un circuit cu apa sarata intermediar de saramura sunt bagate in pamant la o adancime de aproximativ 0,5 m sub nivelul de inghetare (de obicei intre 1,0 si 1,5 m sub suprafata pamantului). Distanta intre tuburile individuale trebuie sa fie aproximativ intre 0,5 si 1,0 m. Pentru a evita daunele, ele sunt asezate intr-un strat de nisip.

Conform regulamentelor actuale de izolare termica, suprafata utila a cladirilor ar trebui sa fie de aproximativ de 1,5 pana la 2,0 mai mare ca spatiul care trebuie incalzit pentru a permite extragerea de suficienta caldura din sol chiar si in timpul perioadelor reci mai indelungate. Pentru casele cu un standard scazut de energie, spatiul poate fi mai mic. In functie de calitatea pamantului, capacitatea de extragere a caldurii variaza intre 10 si 40 W/m² (Tabelul 9.3). Aceasta permite o generare de caldura de aproximativ 360 MJ pe metru patrat in timpul perioadei de incalzire.

Fig.9.8 Modelul de instalare al schimbatorului de caldura cuplat cu pamantul orizontal.

O reducere semnificativa in spatiului necesar poate fi realizata prin instalarea unui canal de colectare aratat de asemenea in figura 9.8. Conform acestui concept, tuburile de transfer a caldurii sunt instalate pe peretii laterali ai canalului cu o adancime de aproximativ 2,5 m si o latime de 3,0 m. Lungimea necesara a canalului depinde de calitatea solului si puterea de incalzire a pompei de caldura. Ca valoare model poate fi luata o lungime specifica a canalului de 2 m/kW putere de incalzire.

Tabelul 9.3 Capacitatile de extragere a caldurii din sol (vezi VDI 4640).

O incercare suplimentara de reducere a spatiului necesar este instalarea tevilor sub forma de serpentine. Exista doua scheme principale pentru colectoarele in spirala, care sunt construite in principal in America de Nord. Dezavantajul fundamental al acestor colectoare este ca pot apare probleme de ventilatie.

• Pentru colectoarele slinky or cunette, un sul de tub plastic disponibil comercial este asezat pe fundul unui sant larg si intins pana la margini (vertical fata de axa spiralei) in asa fel incat sa faca spirele sa se suprapuna. Dupa aceea canalul este umplut iar. Un asemenea colector poate fi scufundat si intr-un mic canal slot-die?.
• Pentru colectorul Svec, un tub din plastic este incolacit pe un sul in timpul productiei. Cand este introdus intr-un canal pregatit in prealabil, tubul poate fi intins si fixat ca o serpentina cu axa verticala. Dupa aceea, canalul este umplut iar.

La toate aceste colectoare cuplate cu solul compacte exista pericolul ca recuperarea de energie necesara sa nu aiba loc in timpul verii daca ele sunt folosite doar pentru incalzire. Motivul este ca marginile suprafetei solului inconjurator si suprafata Pamantului este relativ mica, comparativ cu volumul accesibil. Prin urmare, un asemenea aranjament este mult mai adecvat pentru acumularea energiei, astfel colectoarele compacte cuplate cu pamantul sunt mai potrivite pentru sisteme de incalzire si racire. Pentru pompele de caldura utilizate exclusiv pentru incalzire, e mai potrivita folosirea colectoarelor plane.

Exista doua feluri de a extrage caldura din pamant si de a o transfera de la sursa catre pompa de caldura.

• Extragerea caldurii si transportul pot fi realizate cu un circuit intermediar care foloseste purtatori de caldura ("saramuri") care absorb caldura din pamant si o cedeaza descarca in vaporizatorul pompei de caldura. In Germania, cel mai eficient a fost un amestec de mono-propilen-glicol si apa, care la o concentratie de 25% glicol este rezistent la inghet pana la temperatura de aproximativ -10 sC, iar la 38% glicol, pana la temperatura de -20 sC. Tuburile din plastic, cu un diametru exterior de pana la 40 mm sunt folosite pentru schimbatoarele de caldura cuplate cu solul. Aceste materiale au o rezistenta suficienta la imbatranire uzura si la coroziune si sunt stabile chimic la temperaturile impuse. Liniile individuale ale tuburilor sunt sudate sau insurubate impreuna.
• Extragerea caldurii si transportul pot fi realizate prin asa numita "evaporare directa". In acest caz, agentul de lucru al pompei de caldura circula direct in tuburile schimbatorului de caldura cuplat cu solul. Acesta se evapora acolo si astfel extrage caldura din pamant. Vaporizatorul pompei de caldura este ingropat in pamant. In general sunt folosite tuburile de cupru din arama cu invelis din plastic pentru a le proteja de coroziune. Avantajul acestei evaporari directe este nivelul scazut al consumului masinii, si SPF atinse ale pompei de caldura. Oricum, necesita o proiectare a sistemului care este reglat exact din punct de vedere frigorific. Mai mult, volumele de umplere ale agentului de lucru sunt mult mai mari decat pentru sistemele cu un circuit intermediar.

Schimbatoare de caldura cuplate cu pamantul, instalate vertical. Aceste schimbatoare (numite sonde) pentru sisteme inchise necesita mult mai putin spatiu in comparatie cu cele instalate orizontal. Ele sunt de obicei folosite in spatii stramte sau pentru transformarea adaptarea sistemelor de incalzire, deoarece doar putin din spatiul verde este afectat in timpul instalarii.

Sondele sunt introduse vertical in pamant in puturi de pana la 250 m adancime si peste. Principalele lor dispuneri variatii ale traseului sunt aratate in figura 9.9. Intre sol si sonda trebuie sa fie asigurat un transfer bun de caldura. Acesta poate fi facut fie prin instalarea unei suspensii din ciment bentonitic sau prin umplerea suplimentara cu nisip cuartos.

Fig. 9.9 Diferite trasee a schimbatoarelor de caldura aranjate vertical.

Prin folosirea sondelor pile-driven cu baterii si forarea cu utilaje mici (pana la o adancime de aproximativ 30 m), poate fi realizata schema prezentata in figura 9.9 din dreapta. pile-drive Sondele si burghiul sunt instalate intr-un punct, permitandu-le sa se roteasca. Ele pot scufunda sondele de pamant fara re-localizare. Pentru pile de combustie, cel mai des sunt folosite sondele metalice coaxiale. Daca nu e folosit otel inoxidabil, trebuie sa fie aplicata o protectie catodica impotriva coroziunii. Alte procese au fost dezvoltate pentru a introduce un tuburilor de plastic in forma de U direct in sol, folosind mecanisme auxiliare adecvate.

Schemele celor obisnuite sonde de pamant sunt aratate in figura 9.10. Sonde cu tuburi simple sau dublu-U constau din doua sau patru tuburi care sunt conectate la fund pentru a permite purtatorului de caldura sa coboare intr-un tub si sa urce in altul. In forma coaxiala de baza, extragerea caldurii din sol are loc la un capat de curgere (depinde de sistem, fie cel ascendent fie cel descendent).

Principalul material folosit in pentru sondele de pamant este polietilena de inalta densitate HDPE) (ex. PE 80 sau PE 100 conform DIN 8074 sau DIN 8075). Dimensiunile tipice ale unui tub sunt 25 X 2,3 mm pentru o sonda de lungime 60 m si 32 X 2,9 la 100 m. Pentru sondele de pamant coaxiale poate fi folosit otel de inalta rezistenta invelit in plastic, sau tuburi din arama - cu costuri mari. In general, pericolul de scapari datorita coroziunii sondelor de pamant, trebuie mentinut cat de jos posibil prin alegerea materialului potrivit.

Ca si pentru schimbatoarele de caldura cuplate cu pamantul instalate orizontal, si pentru sondele de pamant exista pericolul ca solul sa fie racit prea mult datorita unei sub-dimensionari si corespunzator a unei extrageri excesive de caldura. Aceasta duce la temperaturi mai mici ale purtatorilor de caldura si astfel o reducere a COP pompei de caldura. Fata de schimbatorul de caldura orizontal, instalat in la o adancime de 1,0 pana la 1,5 m, straturile mai adanci nu pot sa se recupereze in intregime in timpul verii. Pentru aceasta ar trebui furnizata incalzirea artificiala (ex. prin colectoare solare sau caldura industriale deseu).

Fig. 9.10 Tipuri comune de sonde de pamant

Tabelul 9.4 Capacitatile specifice de extragere , a sondelor de pamant in sisteme mici, la ore diferite de utilizare( analog la VDI 4640).

	1.800 h/a	2.400h/a
Indicatii generale
Subsol rau (roci uscate )	25 W/m	20 /m
Subsol solid din roci, roci saturate de apa	60 W/m	50 W/m
Roci solide cu conductivitate mare	84 W/m	70 W/m
Soluri individuale
Pietris, nisip uscat	< 5 W/m	< 0 W/m
Pietris, nisip, care cara apa	65-80 W/m	55-65 W/m
Pietris, nisip, curent de curgere subteran puternic,pentru sisteme mici	80-100 W/m	80-100 W/m
Argila,lut umed	35-50 W/m	30-40 W/m
Piatra de var(solid)	55-70 W/m	45-60 W/m
Gresie	65-80 W/m	55-65 W/m
Granit	65-85 W/m	55-70 W/m
Bazalt	40-65 W/m	35-55 W/m
Gneiss	70-85 W/m	60-70 W/m

Cerintele pentru folosirea tabelului: are loc numai extragere de caldura (incalzire incl. apa calda); lungimea sondelor individuale de pamant intre 40 si 100 m; cel mai mic spatiu intre doua sonde de pamant ar fi minim 5 m pentru sonde de 40 m, 50 m sau cel putin 6 m pentru sonde de pamant cu lungimi peste 50 m, 100 m. Sonde de pamant potrivite sunt dublu-U cu un tub individual cu diametru de 25 sau 32 mm sau sonde coaxiale cu un diametru de cel putin 60 mm. Valorile date mai sus pot varia considerabil, in functie de formatia rocilor (cum ar fi crevase, stratificare, ?)

Tabelul 9.4 arata principiile pentru o posibila extragere de caldura pentru sisteme mici si diferite tipuri de sol. Pentru a mentine echilibru pe termen lung, nu trebuie depasita o cantitate anuala de caldura extrasa intre 180 si 650 MJ/(m a) - cu recuperare exclusiva prin penetrarea suprafetei pamantului de catre energia solara si energiei geotermale care creste - in functie de conditiile individuale ale solului.

Valorile aratate dau numai indicatii generale linii de viza grele. O definitie mai exacta a capacitatii specifice de caldura extrasa poate fi calculata daca sunt cunoscute conditiile termice ale solului (Fig. 9.11) La sistemele mai mari de sonde de pamant, determinarea numarului si a lungimii sondelor de pamant necesare sunt posibile doar prin calcule la proiectarea sistemului. Aceste calcule pot fi facute folosind programe de calculator existente. Pentru cazuri mai dificile, ar trebui facuta o simulare cu modele numerice, in special daca trebuie luata in considerare influenta apei subterane. Ca sa se obtina parametri de intrare siguri pentru asemenea calcule, a fost dezvoltat Testul De Reactia Termica. El permite determinarea pe loc a parametrilor termici ai subsolului.

Fig. 9.11 Capacitati specifice de caldura extrasa, pentru instalatii de sonde de pamant (calculate pentru o locuinta care cere 10 kW pentru incalzire, pe baza a doua sonde de pamant si 1.800 ore de sarcina totala pe an, excluzand apa calda).

Metoda de perforare pentru a introduce sondele de pamant este dependenta de straturile de pamant si spatiile disponibile:

• In rocile lose, gaurile de foraj pot fi introduse cu un burghiu tubular. Materialul forajului este transportat si/sau eliminat.
• Cand se perforeaza cu jeturi hidraulice, metoda poate fi aplicata si pe roci lose; fluidul de foraj evacueaza in continuu materialul de foraj prin sectiunea inelara din cel mai adanc punct al gaurii de foraj. In plus, fluidul de foraj pompat in gaurile de foraj, stabilizeaza si peretii gaurilor de foraj si ii mentine in linie cu diametrul gaurii. De asemenea, raceste si unge uneltele de foraj si izoleaza apa subterana impotriva gaurilor de foraj cu turta de filtrare cauzata de presiunea in exces din gaurile de foraj, in contra fata de solul inconjurator. Pentru scopuri hidraulice, este folosita de obicei apa, cateodata cu anumite substante adaugate (ex. bentonit, vezi si DVGW- W 115 si W 116); aceasta sustine hidraulica pentru a adopta caracteristicile descrise si pentru a implini mai bine sarcinile.
• Metoda ciocanului de foraj a fost si ea acceptata pe scara larga. Ca fluid hidraulic este folosit aerul, care antreneaza ciocanul si transporta materialele de foraj catre suprafata pamantului cu o viteza ascensionala de la 15 la 20 m/s. In functie de ciocanul de foraj, sunt necesare presiuni ale aerului de peste 10 bar si debite de aer de peste 10 m³/min. Daca este necesar, o agent de spumare poate fi adaugat aerului pentru a permite un transport imbunatatit improvizat al forajului si pentru a evita resturile din gaurile de foraj.

Dupa introducerea sondei de pamant in gaura de foraj, trebuie sa fie umpluta iar pentru a garanta un transfer bun de caldura intre sol si sonda. Umplerea se poate face cu o suspensie de bentonita-ciment.

Au existat incercari de a aplica de asemenea metoda evaporarii directe pentru sondele de pamant in loc de folosirea unui circuit cu purtatori de caldura. In jurul anului 1990, cateva dintre aceste sisteme au fost construite in Austria si SUA. Au aparut diverse probleme, de ex. cu reintoarcerea uleiului compresorului de petrol si cantitatii mari de umplere, ele folosind pe scara larga substante care au contribuit la distrugerea stratului de ozon. Aceste probleme au oprit aceasta dezvoltare. De curand a fost luata din nou in discutie evaporarea directa. Astazi, amoniacul este folosit ca agent de lucru. O instalatie experimentala a fost construita in Coswig langa Dresda, Germania.

O dezvoltare noua mai promitatoare in domeniul sondelor de pamant, este proiectarea lor ca tuburi termice si folosirea CO₂. Astfel, folosind apa, compusul anti-inghetare distructiv poate fi evitat. Energia pompei de circulatie este economisita datorita functionalitatii tuburilor termice, iar dezavantajele evaporarii directe sunt evitate prin separarea tuburilor termice de circuitul de refrigerant. Pompe de caldura cu asemenea tuburi termice sunt folosite cu succes in Austria Superioara.

Componente in contact cu pamantul (piloni de energie ?). O alta varianta de schimbatoare de caldura cuplate cu pamantul verticale, sunt pilonii de transfer ai caldurii asa numitii "piloni de energie". Ei sunt piloni de fundatie, folositi la asezarea fundatiei unei cladiri in conditii de subsol dificile diferite. Acesti piloni sunt echipati cu tuburi de transfer de caldura si permit instalarea schimbatoarelor de caldura la costuri suplimentare mici in locatii unde trebuie folositi oricum stalpi de fundatie.

Piloni de energie pot fi combinati in principiu cu toate metodele de fundatii cu structuri pe piloni cunoscute. Pana acum au fost folositi atat piloni turnati pe loc si piloni prefabricati din beton armat, plini sau goi, cat si piloni din otel. Fiecare tip de pilon are avantaje si dezavantaje specifice. Pilonii din beton turnati pe loc sunt foarte flexibili, dar din punct de vedere tehnic si economic, ar trebui folositi doar de la un diametru minim de aproximativ 600 mm. Producerea lor este chiar scumpa si necesita multa grija. Pilonii pentru batere ramming sunt usor de produs intr-o fabrica; cu toate acestea, in timpul procesului, trebuie asigurata protectie pentru conexiunile tuburilor. Tuburi de transfer de caldura pot fi adaugate doar lungimii pilonilor prefabricati. Pilonii tubulari, unde tuburile de transfer de caldura pot fi adaugate in piloni la o etapa ulterioara, permit utilizarea intregii lungimi a pilonului. Oricum, ei reduc diametrele disponibile ale tuburilor.

In afara de pilonii de fundatie, si alte componente din beton pot fi folosite ca schimbatoare de caldura in pamant (de ex. acoperirea metalica a canalelor fundatiei), deoarece aceste accesorii nu mai sunt necesare pentru scopuri statice, dupa ce cladirea e gata. Peretii de sustinere, pereti de subsol sau talpa de fundatie pot fi folosite ca schimbatoare de caldura. In aceste cazuri, este de asemenea necesara o izolatie buna la interior, ca si in cazul variatele sisteme de piloni de energie care sunt asezate sub talpa de fundatie; aceasta permite extragerea caldurii efectiv din sol si previne de exemplu, ca subsolul sa devina rece si umed.

Sisteme deschise. Sistemele deschise pentru folosirea energiei de suprafata sunt reprezentate de izvoarele de apa subterana. Ele sunt discutate in cele ce urmeaza.

Datorita temperaturii ei relativ constante intre 9 si 10 ^oC, apa subterana este foarte potrivita ca sursa de caldura pentru pompele de caldura. Limitarile o reprezinta lipsa disponibilitatii sursei de caldura. Straturi acvifere suficient de bogate si nu foarte adanci, cu o calitate corespunzatoare a apei, nu se gasesc peste tot. Alte limite pot fi cauzate de legislatiile regionale.

Sistemul sursei de caldura pentru folosirea apei subterane consta dintr-o sonda de productie care sa furnizeze apa subterana, si dintr-o sonda de injectie care este folosita pentru a reincarca straturile apelor subterane cu apa racita. Sondele de extractie si de injectie trebuie sa fie la o distanta rezonabila pentru a evita o scurt-circuit termo-hidraulic. Sonda de extractie nu ar trebui sa fie in zona rece a sondei de injectie deoarece aceasta reduce eficienta sistemului de pompe de caldura.

Capacitatea sondei izvorului trebuie sa asigure o extragere continua a debitului nominal pentru pompa de caldura conectata, aceasta corespunzand la cca. aproximative de la 0,2 la 0,3 m³/h pentru fiecare kW la vaporizator. Capacitatea sondei depinde de conditiile geologice locale. Variatia Schimbarea de temperatura a apei subterane care este reintrodusa la sonda de injectie nu ar trebui sa depaseasca 6 K. Cantitatea extrasa si temperaturii de reincarcare minima ar trebui sa fie in concordanta linie cu regulamentele respective.

Fig. 9.12 arata constructia tipica a unui sistem de pompe de caldura pentru utilizarea apei subterane. Adancimile obisnuite sunt de la 4 la 10 m (ex. /9-1/, /9-3/), care pot fi mai adanci in sistemele mai largi (tranzitia la utilizarea energiei hidrotermale este fluida in acest caz, vezi capitolul 10). Barajul de argila de deasupra stratului de pietris, retine aerul si apa. Umplutura de pietris dintre gaura izvorului si tubul de filtrat ar trebui sa aiba o grosime de la 50 la 70 mm. Teava de aspiratie, dispozitivul de aspiratie al pompei in izvorul de extractie si burlanul de scurgere din sonda de injectie trebuie mereu sa se termine intotdeauna sub suprafata apei in fiecare situatie de functionare.

Inainte proiectarii putului, analizele hidro-geologice ar trebui sa clarifice structura chimica a apei subterane, straturile albiile acvifere si impermeabile, si in plus, nivelul apei subterane si permeabilitatea straturilor acvifere. In acest scop Din aceste motive, trebuie realizat un pilon de foraj, care mai tarziu poate fi folosit ca un put.

Fig. 9.12 Diagrama elementara a instalatiei de pompa de caldura folosind ape subterane.

O problema particulara este sedimentarea ocrului de fier in sondele de injectie. Ea apare foarte des in apele subterane fara oxigen cu un potential de oxidare mic. Asemenea apa subterana nu ar trebui sa intre in contact cu aerul ambiant. De aceea, intregul sistem trebuie sa fie inchis si tinut sub presiune tot timpul, altfel va fi necesara tratarea apei prin inlaturarea fierului si a manganului by deferrisation and de-manganesing. Precipitatele de calcar mici nu joaca oricum un rol pentru fluctuatii ale temperaturii de maximum 6 K.

In anumite conditii, pompele de caldura care folosesc ape subterane este posibil sa constea exclusiv din una sau mai multe sonde de productie. Asemenea concepte exclud potentialele probleme cu sondele de injectie. Din punct de vedere tehnic, aceasta necesita ca acviferul sa aiba destula apa subterana si ca apa poate fi dirijata corespunzator sau scufundata iar. In Germania, asemenea sisteme nu sunt de obicei autorizate.

Alte sisteme. Alte sisteme sunt utilizarea apei subterane cu o sonda coaxiala, utilizarea gaurilor si/sau preincalzirea sau racirea apei de tunel si a aerului in solul de suprafata.

Sonde coaxiale Acestea sunt pozitionate intre sondele de pamant si puturile de apa subterana. Un tub ascendent cu un filtru la fund si inconjurat de un morman de pietris este construit intr-o gaura de foraj. Spre roca, mormanul de pietris poate fi separat cu o captuseala de plastic. Apa este pompata din tubul ascendent cu o pompa submersibila intr-un mod asemanator ca in cazul unui put de apa subterana. Aceasta este racita apoi intr-o pompa de caldura (sau incalzita) si apoi se strecoara iar prin mormanul de pietris in sectiunea inelara. In timpul procesului de scufundare, apa absoarbe caldura din subsolul inconjurator sau cedeaza caldura in subsol.

Datorita lipsei de separare fata de din subsolul natural (un strat de plastic nu izoleaza in intregime), antigelul nu poate fi folosit in sondele coaxiale. Pompa de caldura a fost astfel exploatata intr-un mod care previne inghetarea - in acelasi fel ca la folosirea apei subterane. Din acest motiv, in general este fixat in prealabil un numar maxim anual de ore de functionare operatii,. Mai mult, au fost percepute ca fiind folositoare cai lungi de infiltrare, cantitati mari de apa in gaura de foraj si o temperatura ridicata la fundul gaurii. Prin urmare, sondele coaxiale sunt de obicei intre 100 si 250 m adancime.

Capacitati specifice de extragere a caldurii din sonde coaxiale masurate in operatii conditii normale de functionare sunt intre 36 si 44 W/m si in conditii de functionare pe termen scurt, in jur de 90 W/m. De aici rezulta ca ele au dimensiuni asemanatoare cu cele ale sondelor de pamant. Temperaturile sursei de caldura in medie sunt, oricum, putin mai ridicate in comparatie cu sondele de pamant. Aceasta duce la atingerea unui COP mai bun al pompei de caldura.

Apa de cavitate si tunel. Cavitatile artificiale din subsol pot servi ca si colectoare de apa subterana sau rezervoare de apa subterana. Ele sunt in mare parte mine (operationale inca sau nu) sau tuneluri, unde cavitatile nu au fost construite initial pentru utilizare termica. Aceasta creare speciala de cavitati este de obicei exclusa datorita costurilor mari (cu exceptia depozitelor termice din subsol). Uneori noi ne indepartam de mutam, din domeniul energiei geotermale de mica adancime atunci cand ne confruntam cu gropi si tuneluri. Pentru a da un exemplu, apa folosita in scop termic dintr-o mina de carbune din zona Ruhr-ului de Est a Germaniei ar fi obtinuta din adancimi mult semnificante de sub 1.000 m iar din interiorul unui tunel alpin, de ex. din Elvetia, cateodata de la adancimi de peste 2.000 m.

Apa din mine poate fi obtinuta ex. prin foraje de deasupra pamantului. Peste toate, adancimea nivelului apei in gauri determina metoda de extragere a caldurii. Ar putea duce la presiuni de pompare mari si consum mare de energie corespunzator pentru functionarea opera pompelor. In general, dupa racire, apa trebuie sa fie transferata inapoi prin alta gaura de sonda. Traseul dintre gaura de extragere si gaura de captare ar trebui sa fie cat de lung posibil (se poate face prin foraje la nivele diferite). Minele in zonele cu munti nu foarte inalti care se ridica din vai, apa care curge natural din aceste vai poate fi folosita ca sursa de caldura.

Apa din constructii de tuneluri largi curge de obicei catre orificiul de scurgere si poate fi utilizata acolo ca sursa de caldura. In unele tuneluri alpine, aceasta apa are temperaturi care sunt cu mult deasupra temperaturii medii anuale.

Preincalzirea/pre-racirea aerului. Utilizarea aerului preincalzit in subsol (fara pompe de caldura) exista deja in anii '80 in sectorul agriculturii. Aerul pentru tarcul porcilor era aspirat prin tuburi din pamant. Varfurile temperaturilor de iarna si vara erau intrerupte. Ca o dezvoltare suplimentara, pentru a extinde durata de functionare timpul de operatie a pompelor de caldura folosind aerul ca sursa de caldura iarna, cateva sisteme erau exploatate operate astfel incat transferau aerul prin tuburi in pamant, era preincalzit acolo si apoi transportat la vaporizatorul pompei de caldura /9-1/, / 9-3/ ( Tabelul 9.5).

Asemenea surse de caldura sunt numite colectoare de beton, sonde de aer sau registre de aer. Cum aerul are o capacitate termica foarte scazuta, trebuie miscate cantitati foarte mari de aer. In ultimul timp, preincalzirea si pre-racirea aerul absorbit in tuburi in pamant (fara pompe de caldura) au castigat importanta pentru ventilarea cladirilor cu standarde de energie mici.

Tabelul 9.5 Scheme Proiectii si configuratii ale tuburilor pentru preincalzirea aerului in pamant.

Tipuri de scheme:

Tuburi din beton (pot absorbi umiditatea), tuburi PVC (scadere mica de presiune)

Tuburi libere in pamant, tuburi izolate in partea de sus, tuburi plate sub fundatie.

Tuburi simple sau registre

Tipuri de regimuri de functionare:

Aerul proaspat este transportat mereu prin tuburi.

Aerul proaspat este transportat prin tuburi doar daca temperatura de curgere este peste cea a aerului ambiant.

Aerul proaspat este transportat prin tuburi de fiecare data cand temperatura de evacuare este sub temperatura inconjuratoare, pentru evaporatoare sunt folosite mereu surse de caldura cu temperatura mai mare (incalzire suplimentara a solului).

9.2.3 Pompa de caldura

O pompa de caldura - ca orice alt sistem tehnic - este format din diferite elemente ale sistemului. In cele ce urmeaza, ele sunt explicate in mod principal pentru pompe de caldura cu comprimare electrice, deoarece ele ocupa cea mai mare parte din piata (ex. /9-1/, /9-2/, /9-3/, /9-12/). Pot fi clasificate in functie de schimbatorul de caldura folosit ca vaporizator si condensator, compresor, ventilul de laminare, lubrifiantul la fel si agentul de lucru (refrigerant).

Schimbatoare de caldura. Schimbatoarele de caldura sunt dispozitive care transfera caldura, urmarind gradientul de temperatura intre doua sau mai multe substante. In acelasi timp, ele permit o schimbare a starii termodinamice a acestor substante (racirea, incalzirea, evaporarea si condensarea). Pentru pompele de caldura, ele sunt in principal folosite la transferul intre sursa de caldura si pompa de caldura (adica la vaporizator) si intre pompa de caldura si mediul absorbant de caldura (adica la condensator).

Marimea schimbatorului de caldura si astfel a suprafetei de transfer de caldura este determinata de diferenta de temperatura (gradientul) dintre sursa de caldura racita si temperatura de evaporare la vaporizator sau intre temperatura de condensare si temperatura agentului de transfer a caldurii in cazul unui condensator.

Pentru o anumita capacitate a schimbatorului de caldura, o diferenta mica de temperatura (gradient) necesita o suprafata mare de transfer. In cazul opus, o diferenta mare de temperatura necesita o suprafata mica de transfer de caldura. Pentru a obtine un COP mare, gradientul de temperatura din vaporizator si condensator, ar trebui sa fie cat de mic posibil. Astfel, diferenta de temperatura dintre purtatorii de caldura de partea condensatorului (adica apa de incalzirea) si purtatorii de caldura ai vaporizatorului nu este majorata inutil de gradienti de temperatura care sunt prea mari. Ca un compromis bun au fost acceptate valori de in jur 5 K.

Schimbatoarele de caldura pot fi clasificate in functie de diferentiate conform directia de curgere a substantelor implicate: exista sunt schimbatoare cu curgere paralela, incrucisata sau in contra curent. Exista de asemenea si tipuri mixte. Daca purtatorii de caldura sunt saramuri sau apa pot fi folosite schimbatoare multitubulare, cu placi sau coaxiale ti, tuburi, foi de metal sau schimbatori de caldura coaxiali.

• Schimbatoarele de caldura multitubulare cu invelis si tub constau dintr-o multime de tevi conectate de obicei la incaperi (numite cateodata camere de apa) prin gauri in placi tubulare. Ele sunt dispuse intr-o manta fixate in tuburi captusite (invelis). Cele doua medii care sunt implicate in proces, curg in tuburi si in jurul tuburilor inauntrul mantalei.
• Schimbatoarele de caldura cu placi placate constau din placi care sunt sudate, lipite sau prinse impreuna cu suruburi sau elicoidale. Cele doua medii alterneaza in curgerea lor printre placi. In comparatie cu schimbatoarele de caldura cu tevi si manta tuburi si invelis de aceeasi asemenea capacitate, ele au nevoie de mai putin spatiu.
• Schimbatoarele de caldura coaxiale constau din tubul interior si cel exterior fixat in jurul lui. Unul din cele doua medii curge prin tubul interior, pe cand celalalt curge in principal in contra curent prin spatiul dintre tubul interior si cel exterior.
• Schimbatoarele de caldura cu tevi tuburi nervurate sunt schimbatoare aer-lichid si constau din mai multe tuburi paralele care sunt redirectionate de un numar de ori pentru a lungi calea. Intregul pachet de tuburi e unit prin nervuri. Aerul circula incrucisat sau in contra curent printre nervurile din jurul tevilor, iar fluidul curge prin tevi.

In cazul pompelor de caldura, schimbatoarele de caldura de acest tip sunt folosite in mare parte pentru a transfera caldura intre sursa de caldura si pompa de caldura (vaporizatorul) sau intre pompa de caldura si mediul absorbant de caldura (condensatorul). Caracteristicile respective sunt discutate in cele ce urmeaza.

• Vaporizatorul este elementul de legatura contact dintre sursa de caldura si pompa de caldura. Marimea sa este determinata de diferenta de temperatura dintre sursa de caldura si temperatura de evaporare a refrigerantului. Exista vaporizatoare cu evaporarea uscata, evaporarea umeda si evaporarea in timpul pomparii.
• In timpul evaporarii uscate, prin ventilul de expansiune este injectata atat refrigerant cat poate fi evaporat in intregime in tevile vaporizatoare. Simultan este usor supraincalzit (supraincalzirea inseamna incalzirea agentului de lucru pana la o temperatura peste temperatura de evaporare). Supraincalzirea reprezinta o masura a cantitatii de refrigerant injectat.
• In interiorul vaporizatorului umed, o parte din vaporizator este inundata cu un lichid refrigerant. Evaporarea are loc in jurul tevilor. Vaporii Aburul saturati ies din schimbatorul de caldura, astfel ca supraincalzirea nu este posibila. Intr-un separator conectat la capat, picaturile de fluid care au fost carate de-a lungul procesului de evaporare, trebuie separate.
• Pentru evaporarea din timpul pomparii, refrigerantul este evaporat in teava. Un exces semnificativ de fluid este pompat intr-un al doilea circuit si de acolo intr-un asa numitul "recipient al pompei". Numai acolo, vaporii aburul si fluidul sunt in sfarsit separate. Altfel, chiar si suprafete largi de transfer de caldura pot fi exploatate operate la o sarcina incarcatura constanta.
• Condensatorul este suprafata de separatie dintre pompa de caldura si mediul absorbant de caldura. El evacueaza caldura utilizabila catre un mediu gazos sau lichid. Ca si vaporizatorul, el este conceput ca un schimbator de caldura. Gradientul lui mediu de temperatura reflecta diferenta de temperatura dintre temperatura de condensare a refrigerantului si cea a mediului absorbant de caldura. In functie de schema, exista incalzitoare de fluid (multitubulare, coaxiale sau cu placi), sau de aer (de regula nervurate).

Compresoarele. In compresorului pompei de caldura este comprimat refrigerantul gazos care se misca intr-un circuit inchis intre vaporizator si condensator. Exista compresoare ermetice, semi-ermetice si compresoare deschise.

• Pentru compresoarele ermetice, compresorul si motorul sunt instalate impreuna intr-o capsula ermetica impermeabila la gaze, sudata. Puterea lor poate fi pana la cativa kW.
• Pentru compresoarele semi-ermetice, motorul este prins cu flanse de condensator. Ca si compresoarele ermetice in intregime, ele au un arbore trunchi comun. Puterile sunt in acest caz intre 4 si 150 kW.
• In compresoarele deschise, motorul este inafara condensatorului actual. Motorul si compresorul sunt legate printr-un arbore si un cuplaj. Compresoarele deschise sunt in principal folosite in sisteme mai mari. Ele pot fi antrenate conduse electric sau prin motor cu combustie.

Principalele tipuri de compresoare Proiectarile importante ale condensatorului sunt: cu pistoane, in spirala, cele elicoidale si turbo-compresoare.

• In compresoarele cu piston, cresterea presiunii se realizeaza prin reducerea spatiilor izolate (prin folosirea masinilor volumice). Ele sunt construite sub forma de compresoare ermetice cu capacitati de functionare de pana la 25 kW, sub forma de compresoare semi-ermetice partial pana la 90 kW si sub forma de compresoare deschise pentru nivele mai inalte. Volumul de aspiratie admisie poate fi pana la 1.600 m³/h. Ele sunt construite pentru capacitati mai mici sau mai mari si au 1 pana la 16 cilindri.
• In compresoarele elicoidale, un disc cu o nervura spiralata se misca excentric deasupra unui disc fix cu profil invers. Spatiile separate de nervuri devin tot mai mici in marime in timpul functionarii operatiilor compresorului. Astfel, gazul invaluit, este comprimat si refulat din nou prin deschideri inainte ca gaura sa fie largita din nou (adica masina volumica). Producerea nervurilor necesita o precizie foarte mare pentru a mentine spatiile de comprimare cat mai ermetice. Avantajele acestei scheme sunt miscarile circulare si numarul redus de componente in miscare si performanta buna la o sarcina partiala.
• Compresoarele cu surub de tip elicoidale pot fi cu ungere uscata sau cu racire prin injectie de ulei. Uleiul actioneaza ca agent de racire si lubrifiant si se presupune ca izoleze interstitiul dintre paletele de rotor insele si spre cadru. Eficienta acestor compresoare la sarcini partiale este in general usor mai mica decat a compresoarelor cu piston. Pompele de caldura cu un compresor cu surub necesita in plus un separator de ulei pe partea cu presiune conectata cu capatul compresorului. Dupa separarea de agentul de lucru si de racirea in racitorul de ulei din capat, uleiul este disponibil din nou pentru injectarea in compresorul cu surub. Acestea au o durata de viata comparativ mai lunga deoarece au doar cateva parti care se misca (adica nu au nici o supapa care lucreaza).
• Turbo-compresoarele sunt compresoare dinamice, structurate cu una sau cateva trepte etape de comprimare. O treapta de etapa a comprimare consta dintr-un disc rotativ cu un montaj de palete fixe si palete de ghidare pentru a transforma energia cinetica in energie potentiala. Intr-un turbo compresor pot fi instalate pana la 8 astfel de roti cu palete. Astfel poate fi atinsa o presiune intre 8 si 11 bar. Exista compresoare axiale si radiale. Cu toate acestea, sunt folosite in principal turbo compresoare radiale deoarece ele obtin un raport mai mare de comprimare presiune pe treapta etape iar costurile de productie specifice sunt mai mici decat ale masinilor axiale. Reglarea puterii se realizeaza prin marimea carcasei locuintei, cantitatea si latimea discurilor cu lamele. Pentru reglare stabila a puterii, poate fi modificata viteza de rotatie si/sau poate fi ajustata pozitia paletelor de ghidare de la aspiratia aerului. Deoarece alimentarea cu ulei lubrifiant este total separata de agentul de lucru in turbo compresor, capacitatea de solvent a mediul de lucru nu este relevanta pentru uleiul lubrifiant. Avantajele turbo compresoarelor sunt: un nivel scazut de uzura datorita constructiei lor simple, reglare sigura a puterii de la 10 la 100%. Ele necesita de asemenea mai putin spatiu chiar si pentru capacitati ridicate. Asemenea turbo compresoare sunt oferite doar pentru capacitati largi.

Daca este necesar, compresoarele pot fi cuplate in doua moduri diferite. Pentru comprimarea in mai multe trepte cateva etape, mai multe compresoare sunt conectate in serie daca diferenta de presiune dintre vaporizare si condensare nu mai poate fi acoperita de un singur compresor. Oricum, in cazul pompelor de caldura in cascada legate in serie, fiecare compresor are propriul lui condensator si vaporizator. Refrigerantul ideal poate fi astfel utilizat la temperatura respectiva. Oricum, acest tip de conectare duce la costuri mai mari ale sistemului si pierderi de caldura (gradient de temperatura) datorita numarului mare de schimbatoare de caldura necesare.

Pentru capacitati mai mici, care predomina in domeniul utilizarii aerului ambiant si a energiei geotermale de mica adancime, sunt folosite de obicei compresoare cu piston si elicoidale. Ele sunt de obicei construite intr-o capsula ermetica impreuna cu un motor electric (compresoare complet ermetice). In contrast, compresoarele cu surub, turbo si cele similare cu o constructie semi-ermetica sau deschisa sunt in general rezervate pentru capacitati mai mari.

Ventile de laminare In ventilul de laminare presiunea agentului refrigerantului lichid este redusa de la eliberat din presiunea condensatorului la presiunea vaporizatorului. In plus, este controlat debitul masa fluxului de circulare a agentului de lucru in circuitul pompei de caldura. Alegerea Selectarea ventilului de laminare a presiunii depinde de refrigerant, marimea compresorului si capacitatea pompei de caldura. Tipurile Proiectarile posibile sunt: termostatice sau ventile electronice.

• Ventilele de laminare termostatice sunt folosite pentru evaporarea uscata. Ele sunt controlate de presiunea de vaporizare si supraincalzirea refrigerantului care iese din vaporizator. Deoarece supraincalzirea are loc in vaporizator si necesita o suprafata de transfer de caldura, aceasta trebuie sa fie pastrata la o valoare cat mai redusa pentru a asigura o eficienta mare a vaporizatorului.

• Ventilele electronice de reducere a presiunii sunt controlate reglate prin folosirea algoritmilor matematici care contin proprietatile termo-fizice ale refrigerantului si parametrii relevanti ai pompei de caldura. Acestia sunt: timpii de tranzit ai refrigerantului prin vaporizator, caracteristicile de control, date despre compresor etc. Ele permit controlul temperaturii de evaporare si a supraincalzirii.
• Tuburile capilare sunt folosite in combinatie cu compresoare ermetice. Ele sunt foarte subtiri (diametrul intern intre 1 si 2 mm). Ele au pana la 1 sau 2 m in lungime pentru a garanta efectul de laminare necesar. Cu toate acestea, tuburile capilare pot garanta subracirea in condensator, dar nu si supraincalzirea in vaporizator. De aceea, ele au nevoie de un rezervor acumulator de mica presiune pentru a asigura compresorul sa nu aspire ia inauntru, refrigerant lichid. Tuburile capilarele sunt folosite de asemenea pentru reglarea bruta in combinatie cu ventile termostatice sau electronice de laminare reducere presiunii. De exemplu, frigiderele sunt construite aproape exclusiv folosind din tuburi capilare.
• Tipuri mai noi, unde o mica turbina este instalata in locul ventilului si astfel energia de compresare este reobtinuta partial (detentor), au fost folosite doar din pompe de caldura mari care sunt foarte putin folosite pentru utilizarea energiei geotermale de mica adancime.

Lubrifianti. Folosirea lubrifiantilor ar trebui sa minimalizeze uzura si tear a compresorului. In functie de tipul compresorului, lubrifiantii (ulei) si refrigerantii sunt in contact mai mult sau mai putin.

• In turbo compresoare, separarea refrigerantului si uleiului este realizata foarte usor. Pot fi folosite uleiuri care nu sunt miscibile amestecati cu refrigerantii.
• Compresoarele cu surub necesita cantitati mari de ulei pentru etansare izolare deoarece sunt in contact direct cu refrigerantul. Aici sunt folosite separatoare de ulei pentru a evita pierderile de ulei.
• Suprafetele compresoarelor cu pistoane sunt in continuu umezite cu ulei prin miscarea pistoanelor. Lubrifiantii si refrigerentii sunt si aici in contact.
• Compresoarele elicoidale sunt de asemenea lubrifiate cu ulei. Lubrifiantul si refrigerantul sunt in contact.

Cu exceptia turbo compresoarelor, o importanta particulara o are adaptarea optima a caracteristicilor lubrifiantului la cele ale refrigerentilor. Deoarece in cazul condensatoarelor lubrifiate cu ulei o cantitate mica de ulei este mereu descarcata in circuitul de agent, trebuie asigurat transportul sau prin intreg circuitul refrigerant.

Agenti de lucru (refrigeranti). In trecut, ca medii de lucru pentru pompele de caldura, au fost folosite in principal fluoro-carburi clorurate CFCs si HCFCs semi halogenate sau in intregime halogenate (Tabelul 9.6). Deoarece fluoro-carburile clorurate contribuie in mare masura la distrugerea stratului de ozon, in zilele noastre pot fi folositi numai refrigerentii care nu sunt daunatori stratului de ozon. Ei ar trebui sa aiba un potential scazut de incalzire globala.

Tabelul 9.6 Caracteristicile agentilor frigorifici refrigerentilor cu importanta lor asupra mediului inconjurator.

^a Boiling temperature; ^b Water damage category; ^c stratospheric ozone depletion potential (relative, R 11 is 1.0); ^d global warming potential (relative, time frame 100 years, CO₂ is 1.0); ^e fully halogenated chlorofluorocarbons, ^f semi-halogenated chlorofluorocarbons, ^g Fluorocarbons.

Agentii frigorifici folositi aici sunt numiti deseori prin abrevierile lor. In trecut, in principal fluoro-carburile clorurate R12, R22 si R502 erau folosite in pompele de comprimare a caldurii. Este inca folosita uneori fluoro-carbura clorurata semi-halogenata R22. Aceasta denumire conform DIN 8962 german, se refera la compozitia chimica a substantelor. Aceste cifre figuri sau litere adaugate la litera "R", abrevierea pentru refrigeranti, reflecta compozitia atomica a refrigerantului. Prima figura se refera la numarul de atomi de carbon (C) minus unu. A doua cifra figura numeste numarul de atomi de hidrogen (H) plus doi. A treia cifra diagrama contine numarul de atomi de fluor (F). Valentele carbonului ramas au fost formulate ca atomi de clorura (Cl). In cazul compusilor fluoro-metani (un atom de carbon) prima cifra nu este folosita figura intai. Literele mici adaugate reprezinta izomeri. Pentru a da un exemplu, tetraflorura de etan (C₂H₂F₄) este astfel numita R134a iar diflorura-diclorura-etana (CF₂Cl₂) este numita R12. Aceasta metoda poate fi aplicata si pentru hidrocarburile de clor si fluor (ex. propan (C₃H₈) este numit R290). Mediilor de lucru din diferite grupuri de substante fundamentale sunt alocate numere incepand cu 7 (ex. apa(R718) sau aerul (729)).

Conform reglementarilor din CFC-Halon-Ban Regulation Legea interzicerii agentilor halogenati din 1995, nici un CFCs (fluoro-carbura clorurata complet halogenata) nu poate fi folosit ca refrigerant in sistemele noi de ex. in Germania. R22, o fluoro-carbura clorurata semi-halogenata, a fost interzisa din sistemele noi din 1 Ianuarie, 2000. De la 1 Ianuarie, 2015, fluoro-carburile clorurate semi-halogenate nu mai sunt permise in sistemele existente.

Datorita cerintelor mari de refrigerenti, era costisitor sa se gaseasca substante inlocuitoare potrivite pentru agentii care au fost folosite pana acum. Daca ele contin multi atomi de hidrogen, sunt de obicei inflamabile. Daca partea de clor sau fluor este mare, durata medie de viata in atmosfera poate sa fie mai mare. Potentialul de distrugere a stratului de ozon este in acest caz mare. Clasificarea dupa aceste criterii a agentilor folositi in trecut si in prezent este prezentata in Fig. 9.13. Astfel, dintr-un punct de vedere curent, sunt luate in considerare in principal, urmatoarele doua amestecuri de HCFC, impreuna cu halonii si mediile de lucru fara clor (ex. propan, propilena, amoniac):.

• R407C este un agent pe termen scurt care substituie R22
• R410A ca un inlocuitor pentru R22, care poate fi folosit numai in pompe de caldura dupa ce constructia a fost schimbata.

Fig. 9.13 Caracteristicile refrigerantilor.

In sistemele de pompe de caldura noi, de ex. in Germania, sunt folositi uneori ca agenti frigorifici propanul (R290) si propilena (R1270). Aceste substante nu au nici un potential de distrugere a stratului de ozon sau de incalzire globala si sunt compatibile se inteleg cu materialele si lubrifiantii folositi pana acum. In plus, cantitatea de umplere poate fi redusa semnificativ in comparatie cu fluoro-carbura clorurata semi-halogenata R22. Cantitatile necesare pentru sistemele mici de pana la 10 kW sunt in jur de doar 1 kg. Datorita combustibilitatii refrigerentilor R290 si R1270, trebuie luate masuri de securitate speciale in functie de cantitatea folosita. Ele pot fi in general realizate fara probleme in practica. Pentru sisteme mai mari, este folosit in mare parte R134a ca refrigerant de substitutie.

9.2.4 Sisteme in ansamblu generale

Sistemele surselor de energie (Capitolul 9.2.1 si 9.2.2) si pompele de caldura (Capitolul 9.2.3) sunt integrate in sistemele generale care permit utilizarea aerul ambiant sau caldurii geotermale de mica adancime ca energie finala respectiv folositoare. De aceea, mai intai sunt descrise configuratiile tipice sistemelor pentru aplicatii caracteristicile, iar dupa aceea, vor fi discutate aspecte ale sistemului pentru un asemenea sistem general.

Configuratii ale sistemului. In cele ce urmeaza, vor fi prezentate introduse ca si configuratii tipice pentru un sistem general un sistem de incalzire cu recuperare de caldura a aerului evacuat si pompa de caldura aer evacuat-aer introdus, cu o pompa de caldura cuplata cu solul si un sistem de pompa de caldura pentru incalzire si racire.

Sisteme de incalzire cu pompa de caldura de la aer evacuat la aer introdus. In ultimii ani, pompele de caldura cu aer evacuat la aer introdus, au fost concepute in special dezvoltate pentru case cu un necesar o cerere mic de energie de incalzire si sisteme de ventilatie controlate. Ele nu numai ca acopera intregul necesar pentru incalzirea spatiului prin incalzirea aerul admis, dar pot acoperi in mare masura si necesarul de apa calda. Fig. 9.14 arata o astfel de pompa de caldura. Aerul introdus este incalzit suplimentar de condensatorul pompei dupa recuperarea de caldura de la aerul evacuat. Vaporizatorul .Pentru a reduce inghetarea vaporizatorului de partea aerului evacuat, o optiune este sa se pozitioneze un schimbator de caldura cuplat cu pamantul intre aerul ambiant si schimbatorul de caldura de recuperare a caldurii aerului evacuat degajat. Astfel, aerul evacuat din schimbatorul de caldura nu se poate raci prea mult. Modul in care sunt dispuse alocate ventilatoarele de racire, permit caldurii degajate sa contribuie la procesul de incalzire (adica in conducta de evacuare a aerului, inainte de schimbatorul recuperator de caldura din aerul evacuat si dupa condensator in conducta de admisie a aerului). Daca exista destula energie disponibila pentru incalzirea casei, pompa de caldura comuta pe condensatorul sistemului de producere de apa calda. Mai mult, un sistem termic solar suplimentar poate fi folosit pentru a genera apa calda. In timpul perioadelor reci si noroase de iarna, este disponibil un incalzitor electric ca rezerva pentru apa calda. Asemenea sisteme de pompe de caldura pot atinge SPF-uri de pana la 3,5 /9-15/.