Caldura se consuma natural dintr-o temperatura mai mare la o temperatura mai mica. Pompele de caldura, cu toate acestea, sunt capabile sa forteze fluxul de caldura in cealalta directie, utilizand o unitate relativ mica de energie de inalta calitate (electricitate, combustibil, energie termica de la deseuri). Astfel, pompele de caldura pot transfera caldura de la sursele de caldura din imprejurimile naturale, cum ar fi aerul, solul sau apa, sau din surse artificiale de caldura, cum ar fi deseurilor industriale sau domestice, la o cladire sau la o aplicatie industriala. Pompele de caldura pot fi, de asemenea, utilizate pentru racire. Caldura este apoi transferata in directia opusa, de la cladire se preia caldura care apoi ca este racita si eliberata in mediul inconjurator. Uneori, excesul de caldura de racire este utilizata pentru a raspunde cererii de energie termica simultana. Pentru transportul de caldura de la o sursa de caldura la un radiator de energie externa este necesara o pompa pentru a conduce caldura. Teoretic, caldura totala distribuita prin pompa de caldura este egala cu caldura extrasa la sursa de caldura plus cantitatea de energie folosita in transport. Pompele de caldura actionate electric pentru incalzirea cladirilor furnizeaza de obicei 100 kWh de energie termica cu doar 20-40 kWh de energie electrica. Deoarece pompele de caldura consuma mai putina energie primara decat sistemele de incalzire conventionale, acestea sunt o tehnologie importanta pentru reducerea emisiilor de gaze care dauneaza mediului, precum dioxidul de carbon (CO2), dioxidul de sulf (SO2) si oxizii de azot (NOx). Cu toate acestea, impactul general asupra mediului al pompelor de caldura electrice depinde foarte mult de modul in care energia electrica este produsa. De exemplu pompele de caldura actionate de energie electrica primita de la energia hidroelectrica, energia fotovoltaica, energia eoliana sau orice alta energie regenerabila reduc emisiile mai mult decat in cazul in care energia electrica este generata de carbune, petrol sau de gaz. Cele doua tipuri principale de pompe de calduraAproape toate pompele de caldura din prezent in exploatare sunt fie bazate pe o comprimare de vapori fie pe un ciclu de absorbtie. Aceste doua principii vor fi discutate pe scurt in urmatoarele doua sectiuni. Teoretic, caldura de pompare poate fi atinsa prin mai multe cicluri si procese termodinamice. Acestea includ procesul Stirling si cicluri Vuilleumier, cicluri cu o faza (de exemplu, cu aer, CO2 sau gaze nobile), sisteme de vapori-solizi de absorbtie, sisteme hibride (care combina in special compresia vaporilor si ciclul de absorbtie) si electromagnetice cat si procesele acustice. Unele dintre acestea sunt introduse pe piata sau au ajuns la maturitate tehnica si ar putea deveni semnificative in viitor. Vaporii de compresie – Vaporizarea - figurile 1 si 2 : .
FIGURA 1
.
FIGURA 2
.
Marea majoritate a pompelor de caldura lucreaza pe principiul ciclului de compresie de vapori. Principalele componente dintr-un asemenea sistem de pompe de caldura sunt compresorul, valva de expansiune si doua schimbatoare de caldura mentionate in continuare evaporator si condensator. Componentele sunt conectate pentru a forma un circuit inchis, asa cum se arata in figura 1. Un lichid volatil, cunoscut ca fluidul de lucru sau de refrigerare, circula prin cele patru componente. Intr-un evaporator temperatura fluidului lichid de lucru se pastreaza mai mica decat temperatura din sursa de caldura, provocand astfel caldura sa se transfere de la sursa de caldura spre lichidul de lucru iar fluidul de lucru sa se evapore. Vaporii de la evaporator sunt comprimati pentru o presiune mai mare si implicit pentru o temperature mai mare. Vaporii calzi intra apoi in condensator, in cazul in care se condenseaza si se elibereaza de energia termica utila. In cele din urma, fluidul de lucru este eliberat de presiunea ridicata prin valva de expansiune, intorcandu-se din nou in evaporator. Fluidul de lucru revine astfel la starea sa initiala si din nou reia ciclul incepand din vaporizator. Compresorul este, de obicei, actionat de un motor electric si, uneori, de un motor cu combustie. • Un motor electric care sa alimenteze compresorul (a se vedea figura 1) va avea pierderi de energie foarte reduse. Eficienta energetica totala a pompei de caldura depinde foarte mult de eficienta prin care este generata energia electrica. Acest lucru este discutat in detaliu in sectiunea privind Performanta pompei de caldura. • Atunci cand compresorul este actionat de un motor diesel sau de gaz (a se vedea figura 2), caldura din apa de racire si din gazele de esapament este utilizata in plus fata de caldura din condensator. • Vaporii de compresie din pompele de caldura de tip industrial folosesc adesea lichidul in sine ca fluid de lucru intr-un ciclu deschis. Aceste pompe de caldura sunt in general denumite in continuare recompresia mecanica a vaporilor sau MVRs; detalii mai multe in sectiunea privind Pompele de caldura industriale. AbsorbtiaAbsorbtia pompelor de caldura este condusa termic, ceea ce inseamna ca se preia caldura natural si prin energie mecanica furnizata functioneaza intreg ciclul. Absorbtia pompelor de caldura pentru aerul conditionat este facuta adesea pe gaz, in timp ce instalatii industriale sunt de obicei conduse de aburi de inalta presiune sau energie termica a deseurilor. Sistemele de absorbtie utilizeaza capacitatea lichidelor sau a sarurilor de a absorbi vaporii in fluidul de lucru. Perechile de lucru cel mai des intalnite pentru sistemele de absorbtie sunt: • apa (fluid de lucru) si bromura de litiu (absorbant); si • amoniacul (fluid de lucru) si apa (absorbant). Sistemele de absorbtie si de compresie a fluidului de lucru se realizeaza intr-un circuit termic cu o solutie tehnica care consta dintr-un absorbant, o pompa de solutie, un generator si o valva de expansiune asa cum se arata in figura 3. Vaporii de joasa presiune de la evaporator sunt absorbiti in absorbant. Acest proces genereaza caldura. Solutia este pompata la presiuni ridicate si fluidul de lucru (sub forma de vapori) este condensat in condensator. .
FIGURA 3
.
Caldura este extrasa din sursa de caldura existenta (aer, apa, sol) intr-un evaporator. Energia termica utila este preluata la o temperatura medie in condensator si in absorber. In generatorul de caldura (schimbatorul de caldura) se dezvolta temperatura inalta si este furnizata circuitului interior si astfel se ruleaza procesul. O cantitate mica de energie electrica este necesara pentru operarea pompei de circulare.
Pentru transformatoarele de caldura care se alimenteaza prin procesele de absorbtie se poate face upgrade la caldura reziduala fara a se impune extragerea dintr-o sursa de caldura externa; la acest lucru se refera sectiunea cu privire la pompele de caldura industriale.
|
Performanta tehnica si economica a pompei de caldura este strans legata de caracteristicile sursei de caldura. O sursa de caldura ideala pentru pompele de caldura in cladiri are o temperatura inalta si stabila in timpul sezonului rece, este abundenta si disponibila, nu este coroziva sau poluata, are proprietati favorabile termofizice si utilizarea acesteia necesita investitii reduse si costurile operationale mici. Cu toate acestea in majoritatea cazurilor disponibilitatea sursei de caldura este factorul cheie care determina utilizarea acesteia. Tabelul de mai jos prezinta frecventa utilizarii surselor de caldura cunoscute: aerul inconjurator si aerul evacuat, solul si apele subterane sunt surse de caldura practice pentru sistemele mici de pompe de caldura, in timp ce marea/lacul/apa raului, roca (geotermala) si a apele reziduale sunt utilizate pentru sistemele de pompe de caldura de capacitati mai mari. Tabelul 1: frecventa utilizarii surselor de caldura
Sursa de caldura Temperatura (° C)
Aerului ambient -10 -15
Aerul evacuat 15 - 25
Apele subterane 4 - 10
Apa din lac 0 - 10
Apa din rau 0 -10
Apa din mare 3 - 8
Roca din subteran 0 - 5
Solul 0 -10
Apele uzate si apele reziduale > 10
.
 . 1. Aerul inconjurator este gratuit si disponibil pe scara larga, si este sursa de caldura cea mai frecventa pentru pompele de caldura. Aerul, ca sursa pentru pompe de caldura, cu toate acestea, realieaza in medie cu 10-30% mai mic factorul de performanta sezoniera (FPS), comparativ cu pompele de caldura cu sursa apa. Acest lucru se datoreaza in principal scaderii rapide a capacitatii si a performantei odata cu scaderea temperaturii in aerul liber exact in sezonul rece, diferenta de temperatura relativ mare dintre evaporator si energia necesara pentru decongelarea evaporatorului. In zonele cu clima blanda si umeda, inghetul se va acumula pe suprafata externa a evaporatorului in intervalul de temperatura de 0-6 ° C, care conduce la capacitate si performanta redusa a sistemului de pompe de caldura. Decongelarea bobinei se realizeaza prin inversarea ciclului pompei de caldura sau prin alte mijloace mai putin eficiente energetic. Creste consumul de energie si per ansamblu coeficientul de performanta (COP) a pompei de caldura scade cu cresterea frecventei de dezghetare. 2. Evacuarea (ventilarea), aerul este o sursa de caldura comuna pentru pompele de caldura in cladirile rezidentiale si comerciale. Pompa de caldura recupereaza caldura din aerul de ventilatie si ofera apa si/sau incalzirea spatiului. Functionarea continua a sistemului de ventilatie este necesara in timpul sezonului de incalzire sau pe tot parcursul anului. Unele unitati sunt, de asemenea, concepute pentru a utiliza atat aerul evacuat cat si aerul inconjurator. Pentru cladirile mai mari pompele de caldura alimentate cu aerul evacuate (viciat) sunt adesea utilizate in combinatie cu unitati aer-aer de recuperare a caldurii. 3. Apa solului este disponibila cu temperaturi stabile (4-10 ° C) in cele mai multe regiuni. Sistemele deschise sau inchise sunt utilizate ca un robinet in cazul acestei surse de caldura. In sistemele deschise, apele subterane sunt pompate in sus, racite si apoi reinjectate in panza freatica printr-un put separate sau deversate la suprafata intr-o acumulare de apa. Sistemele deschise trebuie sa fie atent proiectate pentru a evita problemele cum ar fi inghetarea sau coroziunea. Sistemele inchise pot fi sisteme de expansiune directa, cu fluidul de lucru care se evapora in conducte subterane (schimbatorul de caldura) sau sisteme de genul cu bucla saramura. Datorita diferentei de temperatura suplimentare interne, sistemele de pompare saramura au in general o performanta mai slaba, dar sunt mai usor de intretinut. Un dezavantaj major al pompelor de caldura sol-apa este costul mai mic de instalare la sursa de caldura. In plus, reglementarile locale pot impune restrictii severe in ceea ce priveste interferarea cu panza freatica si posibilitatea de poluare a solului. 4. Sisteme cu sursa solul sunt utilizate pentru aplicatii rezidentiale si comerciale, si au avantaje similare cu sistemele cu sursa de apa, adica au temperaturi anuale relativ ridicate. Caldura este extrasa din tevi prevazute orizontal sau vertical in sol (orizontal - colaci in sol). Capacitatea termica a solului variaza in functie de continutul de umiditate si de conditiile climatice. Datorita extragerii caldurii din sol temperatura solului va scadea in timpul sezonului de incalzire (pet imp de iarna). In regiunile cele mai reci energia se extrage ca o caldura latenta cand solul ingheata. Cu toate acestea, vara, soarele va ridica la loc temperatura solului si recuperarea completa a temperaturii poate fi posibila. 5. Roca (caldura geotermala) poate fi folosita in regiunile cu sau fara aparitia neglijabila a apei subterane. Tipic, adancimea tevii variaza intre 100 - 200 de metri. Pentru o mai mare capacitate termica este nevoie ca gaurile forate sa fie inclinate pentru a ajunge la un volum mai mare de roca. Acest tip de pompa de caldura este intotdeauna legata de un sistem de saramura cu tevi sudate din plastic pentru extragerea caldurii din roci. Unele sisteme in cladirile comerciale utilizeaza roca de caldura si pentru extragerea temperaturii mai reci pet imp de vara. Din cauza costului relativ ridicat al operatiunii de foraj, roca este rareori atractiva economic pentru uzul casnic. 6. Raul si apa lacului este, in principiu, o sursa de caldura foarte buna, dar are dezavantajul major al temperaturii scazute in timpul iernii (aproape de 0 ° C). Mare grija trebuie avuta in proiectarea sistemului pentru a evita inghetarea vaporizatorului. 7. Apa de mare este o excelenta sursa de caldura, in anumite conditii, si este folosita in principal pentru instalatiile mijlocii si mari de pompe de caldura. La o adancime de 25-50 de metri, temperatura marii este constanta (5-8 ° C), iar formarea ghetii nu este in general o problema (punctul de congelare la -1 ° C si -2 ° C). Ambele sisteme sunt cu expansiune directa. Este foarte important sa se utilizeze schimbatoare rezistente la coroziune pentru a minimiza agatarea materiilor organice din conductele de apa de mare cat si pentru a nu coroda schimbatoarele de caldura, boilerele etc 8. Apele reziduale sunt caracterizate de o temperatura relativ ridicata si constanta pe tot parcursul anului. Exemple de surse de caldura posibile in aceasta categorie sunt deversarile din canale (apele uzate si tratate sau netratate cat si apa de canalizare), deseurile de apa industriala, apa de racire din procesele industriale sau de productie de energie electrica, energie termica din condensatorii de la uzinele de refrigerare. Constrangerile majore pentru utilizarea in cladiri rezidentiale si comerciale sunt, in general, distanta pana la utilizatorul final si disponibilitatea variabila a fluxului de caldura a deseurilor. Cu toate acestea apele reziduale pot servi ca o sursa de caldura ideala pentru pompele de caldura industriale pentru a realiza economii de energie in industrie (a se vedea capitolul pompele de caldura industriale).
|
|
Energia termica livrata de catre o pompa de caldura, teoretic, este suma dintre caldura extrasa de la sursa de caldura si energia necesara de transport pe intreg ciclul. Performanta in starea de echilibru a unei pompe electrice de caldura de compresie la un anumit set de conditii de temperatura este mentionata drept coeficientul de performanta (COP). Aceasta este definita ca raportul dintre energia termica livrata de catre pompa de caldura si energia electrica necesara functionarii compresorului.
COP al pompei de caldura este strans legat de diferenta dintre temperatura de la sursa de caldura si temperatura de iesire din pompa de caldura. COP al unei pompe de caldura ideale este determinata numai de temperatura de condensare (condensare - temperatura de evaporare).
Figura 1 (COP pentru pompa de caldura ideala) prezinta COP pentru o pompa de caldura ideala cu o functie de temperatura ridicata, in cazul in care temperatura de la sursa de caldura este de 0 ° C..
Raportul dintre COP real al pompei de caldura si COP ideal este definita drept eficienta Carnot. Eficienta Carnot variaza intre 0.30 - 0.5 pentru pompele de caldura mici electrice si 0.5 - 0.7 pentru pompele de caldura mari, in cazul celor mai eficiente sisteme.
Un indicator al realizarii COP/persona pentru diferite tipuri de pompe de caldura, la evaporarea 0 ° C si temperatura de condensare 50 ° C, este prezentat in tabelul 1.
Tabelul 1: tipic COP/PER pentru gama de pompe de caldura cu energii alta unitate.
Pompa de caldura de tip COP (PER)Electric (compresie) 2.5 - 5.0 Motorul (compresie) 0.8 - 2.0 Termic (absorbtie) 1.0 - 1.8 Performanta de exploatare a unei pompe de caldura electrice pe parcursul sezonului se numeste factor de performanta sezoniera (FPS). Acesta este definit ca raportul dintre energia termica livrata si energia totala furnizata pe parcursul sezonului. Se ia in considerare variabila de incalzire si/sau cererea de racire, sursa de caldura variabila si media temperaturii de peste an, si include cererea de energie, de exemplu, pentru decongelare. SPF poate fi folosit pentru a compara pompele de caldura cu sisteme de incalzire conventionale (cazane de exemplu), in ceea ce priveste economisirea de energie primara si reducerea emisiilor de CO2. Pentru evaluarea pompelor electrice de caldura pentru generare de energie se ia in considerare si eficienta centralelor electrice conventionale. Factorii care afecteaza performanta pompei de calduraPerformanta pompei de caldura este afectata de un numar mare de factori. Pentru pompele de caldura din cladiri acesti factori includ: • factorii climatici locali specifici fiecarei zone - incalzirea anuala si cererea de racire cat si sarcinile de varf maxim; • temperaturile de la sursa de caldura si sistemul de distributie al caldurii; • consumul de energie auxiliar (pompele de recirculare, ventilatoarele, ventiloconvectoarele, radiatoarele, caldura suplimentara pentru sistemul bivalent, etc); • nivelul tehnic al pompei de caldura; • dimensionarea pompei de caldura in ceea ce priveste cererea de energie termica si caracteristicile de functionare ale pompei de caldura; • sistemul de control al pompei de caldura. Pompele de caldura industriale au adesea un COP/PER mai mare fata de pompele de caldura pentru cladiri. Acest lucru se datoreaza in principal variatiilor de temperatura mici si conditiilor stabile de operare. Pentru o discutie a diferitelor tipuri de pompe de caldura a se vedea si sectiunile privind tehnologia pompelor de caldura si pompele de caldura industriale.
|
Dupa cum s-a discutat in tehnologia pompelor de caldura, cu circuit inchis, pompe de caldura de tip compresie necesita un fluid de lucru. In mod traditional, fluidele cele mai comune de lucru pentru pompele de caldura au fost: • CFC-12 la temperaturi scazute si mijlocii (max 80 ° C); • CFC-114 la temperaturi ridicate (max. 120 ° C); • R-500 Temperatura medie (max 80 ° C); • R-502 la temperaturi scazute-mijlocii (max 55 ° C); • Pompe HCFC-22 Practic, toate reversibile si cu caldura la temperatura scazuta (max. 55 ° C). Datorita continutului de clor si stabilitatii chimice, CFC (clorofluorocarburi) sunt daunatoare mediului la nivel mondial. Ele au atat un potential ridicat de epuizarea a stratului de ozon (ODP), precum si un potential de incalzire globala (GWP). Efectele asupra mediului pot fi reprezentate, de asemenea, cu Total Equivalent Warming Impact (TEWI) conceptul care determina contributia totala de CFC (clorofluorocarburi) alternative la incalzirea globala. TEWI este suma contributiei directe de gaze cu efect de sera utilizate sau folosirea sistemelor cu o contributie indirecta a emisiilor de dioxid de carbon rezultate din energia necesara pentru a rula sistemele peste durata lor de viata normala. SSC apartin grupului de agenti frigorifici interzisi. Datorita contributiei lor la epuizarea stratului de ozon fabricarea acestor agenti frigorifici si utilizarea lor in centralele noi este acum interzisa, desi acestia sunt in continuare permisi in instalatiile existente. Cu toate acestea, numai refrigerantii purificati (reciclati) din unitatile dezafectate si modernizate sunt disponibili. Prin urmare, este de asteptat ca acesti agenti frigorifici vor deveni mult mai costisitori si la un moment dat nu vor mai fi deloc disponibili. Acest grup include urmatorii agenti frigorifici: R-11, R 12, R 13, R-113, R-114, R-115, R-500, R-502, R-13B1. Ca o cerinta generala, pompele de caldura care folosesc fluide alternative de lucru ar trebui sa aiba cel putin aceeasi fiabilitate si eficienta a costurilor ca si sistemele CFC. In plus, eficienta energetica a sistemelor trebuie sa fie mentinuta sau sa fie chiar mai mare, pentru a face pompele de caldura o alternativa interesanta de economisire a energiei. In plus fata de gasirea fluidelor de lucru noi si ecologice acceptabile, este de asemenea important a se modifica sau redesena pompele de caldura. In general vorbind, eficienta energetica a unui sistem de pompe de caldura depinde mai mult de pompa de caldura si de sistemul de proiectare decat pe fluidul de lucru. HCFC
HCFC (hidroclorofluorocarburi) fluid de lucru care contine, de asemenea, clor, dar aare o mult mai mica PDO (potential de epuizare a ozonului) decat SSC, de obicei 2-5% din CFC-12, din cauza unei stabilitati chimice atmosferice mai mici. GWP (potential de incalzire globala) este de obicei 20% din cea a CFC-12. H-CFC sunt asa-numitii agenti frigorifici de tranzitie. Acestia ar trebui sa fie folositi numai pentru pompele e caldura existente in functiune. H-CFC includ R-22, R-401, R-402, R-403, R 408 si R-409. Tabelul 1 prezinta calendarul de eliminare treptata a CFC si HCFC pentru tarile industrializate, care au convenit in cadrul Protocolului de la Montreal impreuna cu modificarile si ajustarile sale. HCFC ar trebui sa fie eliminati treptat in tarile industrializate pana in anul 2020, si ar trebui sa fie eliminati in intregime pana in 2040. Uniunea Europeana a adoptat un calendar accelerat de eliminare treptata a acestor substante, si cere sa fie eliminate treptat pana in ianuarie 2015. Unele tari din Europa (Suedia, Germania, Danemarca, Elvetia si Austria) au avut, de asemenea, un calendar accelerat si au eliminate deja R-22 pentru sistemele de noi intre anii 1998 si 2002. Tabelul 1: Programul de eliminare pentru CFC si HCFC pentru tarile dezvoltate.
Data de control Masura
01.01.1996 SSC eliminate treptat (1) HCFC inghetate la nivelul anului 1989 de HCFC + 2,8% din 1989 a consumului de CFC (nivelul de baza)
01.01.2004 HCFC redus cu 35% fata de nivelurile de baza
01.01.2010 HCFC redus cu 65%
01.01.2015 HCFC redusa cu 90%
01.01.2020 HCFC eliminate treptat pentru a permite o restanta de pana la 0,5% pana in 2030 pentru refrigerantii existenti si de aer conditionat HFC
HFC (hidrofluorocarbon) pot fi considerati agenti frigorifici pe termen lung alternativi. Aceasta inseamna ca sunt agenti de racire fara clor, cum ar fi R-134a, R-152a, R-32, R-125 si R-507. Din moment ce acestia nu contribuie la epuizarea stratului de ozon, acestia sunt alternativa pe termen lung la R -12, R-22 si R-502. Cu toate acestea, inca nu contribuie la incalzirea globala. O atentie speciala trebuie acordata la utilizarea de lubrifianti. Uleiurile minerale sunt non-compatibile cu aceste refrigeranti. In mod normal, numai pe baza de uleiuri de ester lubrifiant recomandat de producatorul de refrigeranti trebuie sa fie utilizat. Reziduurile de ulei mineral trebuie sa fie complet eliminate in cursul consolidarii. • HFC-134a este destul de similar cu CFC-12 in proprietati termofizice. Coeficientul de performanta (COP) al pompei de caldura cu HFC-134a va fi practic acelasi ca si pentru CFC-12. La temperaturi scazute de evaporare (sub -1 ° C) COP va fi putin mai mic. • HFC-152a in principal, a fost folosit ca o parte din R-500, dar a fost, de asemenea, aplicat cu succes intr-un numar mic de sisteme de pompe de caldura si frigidere interne. HFC-152a este in prezent aplicat ca o componenta in amestecuri. Deoarece are un grad ridicat de inflamabilitate, acesta ar trebui sa fie utilizat numai ca un lichid pur care lucreaza in sistemele de dimensiuni reduse cu un nivel scazut de fluid de lucru (a se vedea, de asemenea, hidrocarburi). • HFC-32 este moderat inflamabil si are o GWP aproape de zero. Este considerat ca un inlocuitor adecvat pe termen lung pentru HCFC-22 in spatiu conditionat, pompe de caldura si aplicatii industriale de refrigerare. Datorita inflamabilitatii sale, HFC-32 este, de obicei aplicat ca o componenta principala in amestecuri non-inflamabile inlocuind R-502 si HCFC-22 • HFC-125 si HFC-143a au proprietati destul de similare cu R-502 si HCFC-22. Ele sunt aplicate in principal in calitate de componente in amestecuri tertiare inlocuind R-502 si HCFC-22. Potentialul de incalzire globala, cu toate acestea, este de aproximativ trei ori mai mare ca al lui HFC-134a. AmestecuriAmestecurile reprezinta o posibilitate importanta de inlocuire a CFC, atat pentru reechipare si pentru aplicatiile noi. Un amestec format din doua sau mai multe fluide pure de lucru, si poate fi zeotropic, azeotrop sau aproape-azeotrop. Amestecurile azeotrope evapora si condenseaza la o temperatura constanta, altii intr-un anumit interval de temperatura (temperatura de alunecare). Temperatura de alunecare poate fi utilizata pentru a imbunatati performanta, dar acest lucru necesita modificarea echipamentului. Avantajul de amestecuri este ca acestea pot fi fabricate la comanda, pentru a se potrivi nevoilor specifice. Amestecurile timpurii de inlocuire a CFC-12 si R-502, toate cuprinse in HCFC-22 si/sau alte fluide HCFC de lucru, cum ar fi HCFC-124 si HCFC-142b, si prin urmare, sunt considerate ca fiind lichide de tranzitie sau pe termen mediu de lucru. Noua generatie de amestecuri de inlocuire a R-502 si HCFC-22 sunt clor, si vor fi alcatuite in principal din HFC (HFC-32, HFC-125, HFC-134a, HFC143a) si de hidrocarburi (de exemplu, propan). Doua dintre cele mai promitatoare alternative fluide de lucru pentru inlocuirea in cele din urma a lui R-22 in caldura de pompare in aplicatii sunt R-410A amestecuri si R407-C, care sunt discutate mai jos in detaliu. Principala diferenta intre cele doua este compozitia chimica: R-410A este un amestec de R-32 si R-125 cu temperatura minima alunecare, in timp ce R-407C este format din R-32, R 125 si R-134A si are o alunecare mai mare de temperatura. Anexa 18 pentru pompe de caldura in Programul AIE releva ca a fost efectuat un studiu detaliat cu privire la proprietatile termofizice de amestecuri. • R-407C este disponibil numai pentru utilizarea imediata de refrigerare existenta, R-22 Ð proprietatile termice si conditiile de operare sunt apropiate de cele ale R-22. Cu toate acestea, din cauza temperaturii sale de alunecare este potrivit numai pentru anumite sisteme. Utilizarea acestui agent frigorific este in crestere, desi mai exista inca unele dificultati de inginerie pentru companiile de servicii si ale producatorilor. • Cercetarile au aratat ca utilizarea R-410A poate duce la un COP imbunatatit in comparatie cu R-22. Folosind R-410A reducerile cu costul total pot fi atinse, deoarece componentele sistemului, in special compresorul, poate fi micsorat in mod semnificativ, deoarece are o capacitate mai mare volumetrica. Principalul dezavantaj este presiunea de functionare mai mare comparativ cu R-22, care indica faptul ca creste presiunea de proiectare-dovada ca majoritatea componentelor ar trebui revizuite. R-410A este foarte popular, mai ales in SUA si Japonia, pentru pompe de caldura ambalate si unitati de aer conditionat.Componentele comerciale R-410A pentru intreprinderile mici si sistemele de refrigerare mijlocii fie sunt deja disponibile fie sunt in curs de dezvoltare.
Fluidele naturale de lucru ale pompei de calduraFluide de lucru sunt substante naturale, existente in biosfera. Ele au, in general, dezavantaje globale neglijabile de mediu (zero sau aproape de zero PDO si GWP). Acestea sunt, prin urmare, pe termen lung alternative la SSC. Exemple de fluide fizice care lucreaza sunt amoniac (NH3), hidrocarburi (de exemplu, propan), dioxid de carbon (CO2), aer si apa. Unele dintre fluidele fizice care lucreaza sunt inflamabile sau toxice. Implicatiile asupra sigurantei de a folosi astfel de fluide pot solicita proiectarea sistemului de operare specifica si adecvata pentru intretinerea de rutina. Amoniac (NH3) este in multe tari lichidul de conducere care lucreaza in sistemele medii si mari de refrigerare si a celor de depozitare la rece. Codurile, regulamentele si legislatia au fost dezvoltate in principal pentru a face fata toxicitatii si intr-o oarecare masura, caracteristicilor inflamabile ale amoniacului. Din punct de vedere termodinamic si economic amoniacul este o alternativa excelenta la CFC si HCFC-22 in echipamente noi de pompe de caldura. El a fost utilizat numai in sistemele de pompe de caldura mari si compresoare de inalta presiune care au ridicat temperatura maxima de condensare realizabila la 58 ° C - 78 ° C. Amoniacul poate fi, de asemenea, luat in considerare in sistemele de dimensiuni reduse, cea mai mare parte a pietei de pompe de caldura. In cazul sistemelor mici, aspectele de securitate pot fi gestionate prin utilizarea echipamentelor cu un nivel scazut de fluid de lucru si masuri suplimentare, cum ar fi sistemele de distributie indirecta (sisteme de saramura), camere etanse la gaz sau impachetate si cu ventilatie sigura. Cuprul nu este compatibil cu amoniacul, astfel incat toate componentele trebuie sa fie facute din otel. Amoniacul nu este inca utilizat in pompele de caldura industriale la temperatura inalta, deoarece in prezent nu exista compresoare adecvate de inalta presiune disponibile (maxim 40 bar). Daca sunt dezvoltate compresoare eficiente de inalta presiune, amoniacul va fi un excelent lichid la temperatura inalta de lucru.
Hidrocarburi (HCS) sunt bine cunoscute ca fluide inflamabile de lucru cu proprietati termodinamice favorabile si materiale de compatibilitate. In prezent, propanul, propilena si amestecurile de propan, butan, izo-butan si etan, sunt considerate ca fiind cele mai promitatoare hidrocarburi lichide de lucru in sistemele de pompare de caldura. HCS sunt utilizate pe scara larga in industria petroliera, sporadic aplicate in transportul de refrigerare, frigidere intern/congelatoare si pompe de caldura rezidentiale (in special in Europa). Datorita inflamabilitatii ridicate, hidrocarburile ar trebui sa fie modernizate si aplicate numai in sisteme cu un nivel scazut de fluid de lucru. Pentru a asigura siguranta necesara in timpul exploatarii si de serviciu, ar trebui sa fie luate masuri de precautie, cum ar fi introducerea corespunzatoare in incinta pompei de caldura, sisteme de ventilatie autoprotejate, adaugarea de gaz de marcare a fluidului de lucru, utilizarea detectoarelor de gaz, etc Apa este un excelent fluid de lucru pentru pompele industriale de inalta temperatura termica, datorita proprietatilor sale favorabile termodinamice si datorita faptului ca nu este nici inflamabila sau toxica. Apa a fost in principal utilizata ca fluid de lucru in sistemele MVR deschise si semi-deschise, dar exista, de asemenea, cateva cu circuit inchis, pompe de caldura de compresie cu apa ca fluid de lucru. Temperaturile normale de functionare sunt in intervalul de la 80 ° C la 150 ° C. 300 ° C a fost realizat intr-o instalatie de testare in Japonia, si exista un interes in crestere in utilizarea apei ca fluid de lucru, in special pentru aplicatiile de inalta temperatura. Dezavantajul major cu apa ca fluid de lucru este capacitatea volumetrica de caldura scazuta (kJ/m3) de apa. Acest lucru necesita compresoare mari si costisitoare, mai ales la temperaturi joase. CO2 este un agent frigorific potential puternic, care atrage atentia in crestere in intreaga lume. CO2 este non-toxic, non-inflamabil si este compatibil pentru lubrifianti si materiale comune de constructie. Capacitatea de refrigerare cotata este mare, iar raportul de presiune este redus foarte mult. Cu toate acestea, teoretic COP a unui ciclu de caldura conventional de pompare cu CO2 este destul de slab, si aplicarea efectiva a acestui lichid, depinde de dezvoltarea de metode adecvate pentru a atinge un consum de energie redus in timpul functionarii competitive si mai aproape de punctul critic. Produsele din CO2 sunt inca in curs de dezvoltare, precum si in cercetarea continua pentru imbunatatirea sistemelor si a componentelor. Un prototip de pompa de caldura de apa pentru incalzire a fost deja elaborat in Norvegia. CO2 este acum folosit ca agent refrigerant secundar in cascada pentru sistemele de refrigerare comerciala.
|
Relativ putine pompe de caldura sunt instalate in mod curent in industrie. Cu toate acestea, ca si reglementarile de mediu sa devina mai stricte, pompele de caldura industriale pot deveni o tehnologie importanta pentru reducerea emisiilor, a imbunatatirii eficientei energetice si limitarea utilizarii apelor subterane pentru racire. Pentru a asigura o buna aplicare a pompelor de caldura in industrie, procesele ar trebui sa fie optimizate si integrate. Prin procesul de integrare a eficientei energetice este realizata optimizarea termodinamica a proceselor industriale totale. Un instrument important pentru procesul de integrare este analiza pinch, o tehnologie pentru a caracteriza procesul de fluxuri de caldura si de a identifica posibilitatile de recuperare a caldurii. Astfel de posibilitati imbunatatite pot include retele de schimbatoare de caldura, de cogenerare si pompe de caldura. Analiza Pinch este deosebit de puternica pentru procesele mari, complexe, cu mai multe operatii, si este un instrument excelent pentru a identifica noi oportunitati ale pompelor de caldura. Aplicatiile industriale au o mare variatie in tipul de unitate de energie, marimea pompei de caldura, conditiile de functionare, sursele de caldura si de tipul de aplicare. Unitatile de pompe de caldura sunt, in general, concepute pentru o aplicatie specifica, si sunt, prin urmare, unice.
Tipuri mari de pompe de caldura industriale sunt:• R-500 Temperatura medie (max 80 ° C); • Sisteme mecanice de recompresie de vapori (MVRs), clasificate ca pompe de caldura deschise sau semi-deschise. In sistemele deschise, vaporii de la un proces industrial sunt comprimati la o presiune mai mare si, astfel, rezulta o temperatura mai mare care este condensata in cadrul aceluiasi proces care genereaza caldura. In sistemele semi-deschise, caldura din vaporii recomprimati este transferata prin intermediul unui schimbator de caldura. Pentru ca unul sau doua schimbatoare de caldura sunt eliminate (vaporizatorul si/sau condensatorul), precum si de ridicarea temperaturii este in general mica in acest proces fata de temperature initiala, performanta sistemelor de MVR este ridicata, cu coeficienti tipici de performanta (COP) de 10 la 30. Sistemele actuale de MVR lucreaza cu temperaturi de caldura sursa de 70-80 ° C si livreaza caldura intre 110 si 150 ° C, in unele cazuri pana la 200 ° C. Apa este cel mai comun "fluid de lucru" (adica recomprimarea vaporilor de proces), desi alti vapori de proces sunt, de asemenea, utilizati, in special in (industria petro-chimica). • Pompele de caldura de compresie cu circuit inchis sunt descrise in sectiunea tehnologia pompei de caldura. Sunt aplicate in prezent fluide de lucru cu limita temperaturii maxime de iesire la 120 ° C. • Pompele de caldura de absorbtie (de tip I) nu sunt utilizate pe scara larga in aplicatii industriale. Unele au fost realizate pentru a recupera caldura din evacuarea instalatiilor de incinerare, in special in Suedia si Danemarca. Sistemele actuale cu apa/bromura de litiu ca fluid de lucru pereche atinge o temperatura de iesire de 100 ° C si o temperatura medie folosita de 65 ° C. COP de obicei variaza de 1.2 - 1.4. Noua generatie de sisteme avansate de pompe de absorbtie de caldura va avea temperaturi mai mari de iesire (pana la 260 ° C) si ascensoare mai mare de temperatura. • Transformatoarele de caldura (de tip II) au aceleasi componente principale si principiu de lucru ca pompele de caldura de absorbtie. Cu un transformator de caldura din deseuri pot fi folosite practic fara utilizarea energiei din alta sursa externa. Deseurile de energie termica la o temperatura medie (adica intre nivelul cererii si nivelul mediu) sunt furnizate la evaporator si la generator. Energia termica utila de o temperatura mai mare este data afara din absorber. Toate sistemele de uz curent sunt cu apa si bromura de litiu ca pereche de lucru. Aceste transformatoare de caldura pot realiza o livrare a temperaturii de pana la 150 ° C, de obicei cu o ascensiune de 50 ° C. COP, in aceste conditii, este in gama de 0.45-0.48. • Pompele de caldura cu ciclu invers - recupereaza solventii din gazele din multe procese. Solventii de aer sunt comprimati si apoi extinsi. Aerul se raceste prin extindere si solventii prin condeni sunt recuperati. Mai multe procese de expansiune (asociata cu racire suplimentara de condensare si de recuperare a solventilor) au loc intr-o turbina, care conduce la compresor. AplicatiiPompele de caldura industriale sunt utilizate in principal pentru: • Incalzirea spatiului; • Incalzirea si racirea fluxurilor procesuale; • Incalzirea apei pentru spalare, curatare si salubritate; • Productie de aburi; • Uscare/dezumidificare; • Evaporare; • Distilare; • Concentrare. Atunci cand pompele de caldura sunt utilizate in uscare, evaporare si procese de distilare, caldura este reciclata in cadrul procesului. Pentru incalzirea spatiului, a procesului de incalzire in productie cat si a fluxurilor de aburi, pompele de caldura utilizeaza (deseuri) de surse de caldura intre 20 ° C si 100 ° C. Sursele de caldura reziduala cele mai comunne in industrie sunt fluxurile de apa de racire, efluenti, condens, umiditate, caldura si condensatorul de la instalatiile de refrigerare. Din cauza fluctuatiei in aprovizionarea cu energie termica a deseurilor, poate fi necesara utilizarea rezervoarelor mari de depozitare de acumulare pentru a asigura functionarea stabila a pompei de caldura. Incalzirea spatiului:Pompele de caldura pot utiliza surse conventionale de energie termica pentru incalzirea serelor si a cladirilor industriale, sau pot recupera caldura reziduala industriala care nu a putut fi utilizata direct, si sa furnizeze o caldura de temperatura scazuta si medie care poate fi utilizata intern sau extern pentru incalzirea spatiului. In principal sunt utilizate pompele de caldura electrice cu ciclu inchis de compresie. Procesul de incalzire si de racire al apei:Multe industrii au nevoie de apa calda in procesele de fabricatie in intervalul de temperatura de 40-90 ° C, si adeseori au o cerere semnificativa de apa calda in acelasi interval de temperatura pentru spalat, salubritate si curatenie. Acest lucru poate fi indeplinit de catre pompele de caldura. Pompele de caldura pot fi, de asemenea, o parte a unui sistem integrat, care ofera atat racire cat si incalzire. In principal cele electrice cu circuit inchis, sunt instalate pompe de caldura de compresie, dar cateva pompe de caldura si transformatori de absorbtie de caldura sunt de asemenea in uz. Productia de aburi:Industria consuma mari cantitati de aburi de joasa, medie si de inalta presiune, in intervalul de temperatura de 100 - 200 ° C. Aburul este utilizat direct in procesele industriale, precum si pentru distributia caldurii. Pompele de caldura pe curent pot produce abur de pana la 150 ° C (o pompa de caldura prototip a atins 300 ° C). Ambele sisteme deschise si semi-deschise MVR, compresie cu circuit inchis, pompe de caldura in cascada (in combinatie succesiva) si cateva transformatoare de caldura sunt astazi in functiune. Procesul de uscare:Pompele de caldura sunt utilizate pe scara larga in dezumidificare industriala si in procesele de uscare la temperaturi scazute si moderate (maxim 100 ° C). Principalele aplicatii sunt de uscare de celuloza si de hartie, lemn de diverse produse alimentare si cherestea. Este interesanta si uscarea de produse sensibile la asemenea temperatura. Pompele de caldura uscatoare au, in general, o inalta performanta (COP 5-7), de multe ori si imbunatatesc calitatea produselor uscate, in comparatie cu metodele traditionale de uscare. Deoarece procesul de uscare este executat intr-un sistem inchis, mirosurile de la uscarea produselor alimentare, etc sunt reduse. Ambele tipuri de pompe de caldura, de compresie si a sistemelor MVR cu circuit inchis, sunt folosite. Evaporarea si procesele de distilare:Evaporarea si distilarea sunt procese consumatoare de energie, si cele mai multe pompe de caldura sunt instalate in aceste procese in industria chimica si industria alimentara. In procesele de evaporare, reziduul este principalul produs, in timp ce de vaporii (distilati) sunt produsul de baza in procesele de distilare. Cele mai multe sisteme sunt deschise sau semi-deschise MVRs, dar cu circuit inchis, dar sunt de asemenea folosite pompele de caldura de compresie. Temperaturile mici au rezultate de inalta performanta cu COP de la 6 la 30.
|
FunctiiPompele de caldura pentru incalzirea si racirea cladirilor pot fi impartite in patru categorii principale dupa functia lor operationala: • Pompe de caldura-doar de caldura, incalzirea locurilor, furnizarea si/sau de incalzire a apei.• Pompe de caldura pentru incalzire si racire, oferind atat incalzirea cat si racirea spatiilor. Cel mai comun tip este pompa de caldura reversibila aer-aer, care fie opereaza pentru incalzire sau pentru racire. Pompele de caldura in cladiri comerciale mari/cladiri institutionale utilizeaza buclele de apa (hidronice) pentru distributia caldurii sau a frigului, astfel incat sa poata furniza incalzire si racire simultan. • Sisteme integrate de pompe de caldura, oferind incalzirea spatiului, racirea, incalzirea apei si evacuarea, uneori, recuperarea caldurii din aer.
• Pompa de caldura pentru incalzirea apei, dedicata in totalitate la incalzirea apei. Ele utilizeaza deseori aerul din imediata vecinatate ca sursa de caldura, dar pot fi, de asemenea, pompe de caldura de evacuare a aerului, sau pompe de caldura de apa-aer. Pompele de caldura pot fi atat monovalente cat si bivalente. Pompele de caldura monovalente indeplinesc cererea anuala de incalzire si de racire, in timp ce pompele de caldura bivalente sunt dimensionate pentru 20-60% din sarcina maxima de caldura si se intalnesc in jurul 50-95% din cererea anuala de incalzire (intr-o resedinta europeana). Varful de sarcina este indeplinit de un sistem de incalzire auxiliar, de multe ori un gaz sau ulei de cazan. In cladiri mai mari, pompele de caldura pot fi folosite in tandem cu un sistem de cogenerare (CHP). Pompele de caldura pentru aplicatii rezidentiale pot fi reversibile aer-aer (sau de tip unitati split). Pompa de caldura poate fi, de asemenea, integrata intr-un sistem de conducte cu aer sau un hidronice de distributie de caldura cu sistem de incalzire prin pardoseala sau radiatoare (sistem central). In comercial/cladiri institutionale sistemul de pompe de caldura poate fi o instalatie centrala conectata la o conducta de aer sau la un sistem hidraulic, sau un sistem multi-zona in care mai multe unitati de pompa de caldura sunt plasate in diferite zone ale cladirii pentru a oferi spatiu conditionat individual. Eficienta in cladirile mari este pompa de caldura cu bucla de apa, ceea ce implica o bucla inchisa de apa cu mai multe pompe de caldura legate de bucla care furnizeaza incalzire si racire, cu un turn de racire si surse de caldura auxiliare, ca rezerva. Diferitele surse de caldura, care pot fi utilizate pentru pompele de caldura in cladirile rezidentiale si comerciale sunt descrise in sectiunea surse de caldura. Paragraful urmator descrie tipurile de caldura si sistemele de distributie a racirii care pot fi utilizate in cladiri. Sistemele de caldura si de distributie a raciriiAerul este mediu de distributie cel mai comun in pietele mature de pompe de caldura din Japonia si Statele Unite. Aerul este trecut direct, fie intr-o camera de catre unitatea de climatizare, fie distribuit prin intermediul unui sistem de conducte cu aer. Temperatura de iesire a unui sistem de distributie a aerului este de obicei in intervalul de 30-50 ° C. Sistemele de distributie de apa (sistemele hidronice) sunt utilizate in mod preponderent in Europa, Canada si partea de nord est a Statelor Unite. Sistemele conventionale pentru radiatoare necesita temperaturi ridicate de distributie, de obicei, 60-90 ° C. Astazi sunt proiectate radiatoare la temperatura joasa si convectoare pentru o temperatura maxima de functionare de 45-55 ° C, in timp ce 30-45 ° C este tipic pentru sistemele de incalzire prin pardoseala. Tabelul 1 sintetizeaza cerintele tipice de temperatura pentru diferite sisteme de caldura si de distributie a racirii. Tabelul 1:
Temperaturile tipice de livrare pentru diferitele sisteme de caldura si de distributie la rece.
Cerere Oferta intervalul de temperatura (° C)
Aer distributia aerului de incalzire 30 - 50
de incalzire prin pardoseala; temperatura scazuta (moderne) 30 - 45
sisteme hidronice radiatoare 45 - 55
Temperaturi ridicate (conventionale) radiatoare 60 - 90
Termoficare apa calda 70 -100
Termoficare apa fierbinte/abur 100 - 180
Racire cu aer 10 - 15
Racirea spatiului apa rece 5 - 15
Pentru ca o pompa de caldura sa functioneze cel mai eficient atunci cand diferenta de temperatura dintre sursa de caldura si radiator (sistemul de distributie) este mica, distributia temperaturii de caldura pentru pompele de caldura pentru incalzire ar trebui sa fie mentinuta cat mai scazuta posibil, in timpul sezonului de incalzire.
Tabelul 2 prezinta COP valorile tipice pentru o pompa de caldura apa-apa care opereaza in diverse sisteme de distributie a caldurii. Temperatura de la sursa de caldura este de 5 ° C, iar pompa de caldura Carnot are o eficienta de 50%.
Tabelul 2: Exemplu de modul in COP a pompei de caldura apa-apa variaza in functie de distributia/temperatura pe retur.
Sistemul de distributie al caldurii (de aprovizionare/temperatura de retur) COP
Radiatoare conventionale (60/50 ° C) 2.5
Incalzire prin pardoseala (35/30 ° C) 4.0
Radiatoare moderne (45/35 ° C) 3.5
|
Mai jos sunt abrevieri comune privind energia termica de pompare iar tehnologiile respective sunt enumerate. Lista nu este completa si va fi actualizata continuu. AHU - O unitate de tratare a aerului COP - Coeficient de performanta CFC - Clorofluorocarburi
ACM - Apa calda menajera DX - Expansiune directa
EER - Raportul de eficienta energetica SEO - Sistemul de energie al pamantului GCHP - Pompe de caldura cuplate la sol GHP - Pompe de caldura geotermale GSHP - Pompe de caldura cu sursa solul GWHP - Pompe de caldura sol-apa GWP - Potential de incalzire globala HCFC - Hidroclorofluorocarburilor HDH - Gradul de ore cumulate de incalzire HFC - Hidrofluorocarbura HSPF - Factorul de incalzire de performanta sezoniera HVAC - Incalzire, ventilatie si aer conditionat ODP - Epuizarea potentialului de ozon SEER - Rata de eficienta energetica sezoniera SPF - Factorul de performanta sezonier
|
|
|
