a de Incalzire Si de Preparare a Apei Calde Menajere Cu Ajutorul Unei Pompe de Caldura Pentru Un...

Instalatia de incalzire si de preparare a apei calde menajere cu ajutorul unei pompe de caldura pentru un imobil

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA

FACULTATEA DE INGINERIA ŞI MANAGEMENTULSISTEMELOR TEHNOLOGICEDROBETA TURNU-SEVERIN

SECŢIAINGINERIE ECONOMICA SI INDUSTRIALA

INSTALATIA DE INCALZIRE SI DE PREPARARE A APEI CALDE

MENAJERE CU AJUTORUL UNEI POMPE DE CALDURA

PENTRU UN IMOBIL

ABSOLVENT ÎNDRUMĂTOR

Ş.L. DR. ING. DĂNUŢ SAVU

AS. ING. SORIN SAVU

- 1 -


DROBETA TURNU-SEVERIN 2008

Rezumat

Această lucrare prezintă instalaţia pentru încălzirea unui imobil cu birouri folosind o

pompă de căldură. Pompa de căldură este un sistem de încălzire care utilizează surse

regenerabile de căldură.

Sistemele de încălzire care utilizează energie regenerabilă, însoţite de eficienţa termică

ridicată a clădirilor, sunt foarte importante pentru reducerea emisiilor de CO2 şi a consumului

de combustibil, subiecte de larg interes în Uniunea Europeană.

Nici una dintre soluţiile de încălzire, care folosesc surse regenerabile de energie nu

sunt nici pe departe mai puţin convenabile, sau mai dificil de utilizat decât soluţiile

moderne care utilizează combustibili lichizi sau gazoşi, datorită posibilităţii de reglare

a puterii şi a controlului automatizat.

Prima parte a lucrării conţine un scurt memoriu tehnic în care se prezintă

rolul şi funcţionarea sistemelor de încălzire imobilelor, importanţa utilizării surselor

regenerabile de energie, modul în care este amplasat imobilul cu birouri considerat,

dimensiunile acestuia, precum şi temperaturile care intervin în efectuarea calculelor pentru

determinarea necesarului de căldură specific acestui imobil.

A doua parte a lucrării conţine memoriul justificativ, de calcul, care este structurat

în zece capitole. În primul capitol s-a calculat influenţa unui strat de izolaţie termică

asupra necesarului de căldură. Al doilea capitol prezintă calculul necesarului de căldura

pentru imobilul cu birouri considerat .În cel de-al treilea capitol s-au prezentat soluţiile

tehnice de încălzire care utilizează pompe de căldură . În capitolul al patrulea s-a

efectuat o analiză pentru alegerea ciclului si agentului pentru pompa de căldură utilizată.

În capitolul cinci s-a efectuat calculul termic al sistemului de încălzire utilizând diferite

pompe de căldură. Capitolul şase prezintă analiza tehnico-economică şi alegerea soluţiei

optime a pompei de căldură. În capitolul şapte este prezentat calculul de dimensionare şi

alegere a aparatelor componente. Capitolul opt cuprinde schema de automatizare a

instalaţiei termice cu pompă de căldură . Capitolul al nouălea conţine o temă

tehnologică, mai precis un itinerar tehnologic efectuat în scopul realizării unui reper aflat

în componenţa instalaţiei termice proiectate. În capitolul zece este prezentată tema

economică.

La finalul lucrării a fost ataşată lista bibliografică. Desenele realizate, sunt ataşate

de asemenea, la finalul proiectului, împreună cu restul datelor, fiind stocate pe CD.

- 2 -


Abstract

This paper describes the heating equipment of an office building and the housekeeping water

processing using a heating pump.

The heating pump is a heating system which uses regenerating energy.

Very important for reduction of CO2 emissions and combustible consumption (subjects for

large interest in EU) are the heating systems which combine the regenerating energy with high

thermal efficiency of buildings. Not even one of the existing heating solutions (which are using

the regenerating energy) isn’t by far less convenient or easy to use than the modern solution

with gas and liquid combustible, because of power regulation posibility and the push button

examination.

The first part of my paper contains a short technical memorial about the building heating

performance, the importance of using regenerating energy, the way in which the building is

located, the dimensions, and the temperatures used for calculating the heat necessary.

The second part contanis the justificatory calculating memorial in ten chapters.

In the f i rs t chapter is calculated the impact of a s ingle thermal insulat ion

s t ra tum.The second chapter is about the heat necessary and the housekeeping warm water

of the existing building. The third chapter contains the technical heating solution using

heating pumps. In the fourth chapter i made a technical analyze in order to choose the

refrigerantig agent and cycle. The calculation of the heating system using heating pump is in

chapter no. five. The technical and economical comparative analyze in order to choose the optimum solution is

in chapter no 6. In chapter no seven is presented the admeasurement calculation for choosing the

compound device. The installation automatization scheme is in chapter eight. Chapter nine

contains technologic theme, more precise a technological itinerary, in order to realize a

bench-mark contained in the heating installation.The economical theme is in the chapter no

ten.

The bibliography is at the end of my working.The drawings that I made are enclosed. The rest

of data are in electronic format (on cd).

- 3 -


Cuprins

Cap. 1 Introducere

1.1.Descrierea rolului şi funcţionarii sistemelor de încălzire…………………pag.7

1.2.Importanţa folosirii surselor de energie regenerabile…………………….pag.11

1.3.Stabilirea amplasamentului şi a dimensiunilor……………………………pag.13

Cap. 2 Proiectarea instalatiei de incalzire

2.1.Calcul privind influenţa unui strat de izolaţie termică

1.1.Calcul privind influenţa unui strat de izolaţie termică………….…………pag.18

2.2.Determinarea necesarului de căldură şi apă caldă menajeră pentru încălzirea

imobilului…………………………………………………………………………..…pag.20

2.2.1Calculul necesarului pentru reîmprospătarea aerului din încăpere…………pag.20

2.2.2Calculul necesarului pentru încălzirea imobilului………………………….pag.21

2.2.3Calculul necesarului pentru apă caldă menajeră…………………………....pag.21

3.3.Soluţii tehnice de încălzire utilizând pompe de căldură

3.1Regimurile termice ale vaporizatorului şi condensatorului…………………pag.23

3.2Utilizarea unei pompe de căldură………………………………….………..pag25

3.3Utilizarea pompei de căldură în varianta aer-apă……………………….…..pag.27

3.4 Utilizarea pompei de căldură în varianta sol-apă cu captatoare

plane şi sonde………………………………………………………………..…pag.28

3.5 Utilizarea pompei de căldură în varianta apă-apă……………………….…..pag.30

3.6 Utilizarea pompei de căldură cu vaporizare directă în sol……………..……pag.32

3.4.Alegerea ciclului frigorific şi a agentului frigorific……………………………….pag.35

3.5.Calculul termic al sistemului de incălzire utilizând pompe de căldură………….pag.38

3.5.1aCalculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta sol-apă

cu captatori plani……………………………………………………..……………………

pag.39

- 4 -


3.5.1bCalculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta sol-apă cu

sonde…………………………………………………………………………………….pag.42

3.5.2Calculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta apă-

apă……………………………………………………………………………………….pag.45

3.5.3Calculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta aer-

apă……………………………………………………………………………………….pag.48

3.5.4Calculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta cu vapori-

zare directa sol…………………………………………………………..……………….pag.51

3.6.Analiza comparativa tehnico-economica si alegerea solutiei optime……………...pag.54

3.7.Calculul de dimensionare şi alegere a aparatelor componente…………………....pag.58

3.7.1 Alegerea vaporizatorului şi a condensatorului……………………….……...pag.58

3.7.2Încalzirea în pardoseala……………………………………………………...pag.62

7.3Calculul de alegere al compresorului…………………..……………………pag.63

7.4Alegerea schimbătorului intern de căldură……………………………..……pag.66

7.5Alegere ventilului de laminare termostatic ................................................... pag.68

7.6Alegerea pompei de recirculare a agentului termic………………….………pag.70

7.7Alegerea boilerului pentru prepararea apei calde menajere………………….pag.72

7.8Alegerea pompelor de recirculare a apei calde menajere……………..……..pag.73

7.9Alegerea electroventilelor…………………………………………..………..pag.74

7.10Alegerea termostatelor………………………………………..……...……..pag.76

7.11Alegerea presostatelor………………………………………...…..…………pag.78

3.8.Schema de automatizare………………………………………………….………...pag.80

8.1 Reglarea temperaturii interioare………………………………….…………pag.82

8.2.Reglarea temperaturii apei calde menajere……………………………..…...pag.83

8.3 Reglarea supraîncălzirii vaporilor de agent termic primar (propan)………pag.84

8.4 Reglarea sarcinii termice a compresorului……….…………………………pag.85

- 5 -


8.5 Pornirea si oprirea pompelor de căldură…………...………………………..pag.87

9.Tema tehnologică……………………………………………………………………pag.88

Cap 4. Anailza economica a .....

economică…………………………………………………………………...pag.89

Cap.5.Prezentarea instalaţiei……………………………………………………………..pag.91

Cap. 6. Norme de securitate a muncii si P.S.I. pentru lucrăride instalaţii de

încălzire……………………………………………………………………………….pag.103

Bibliografie…………………………………………………………………………….pag.104

I.Memoriu tehnic

- 6 -


1. Descrierea rolului şi funcţionării sistemelor de încălzire a imobilelor

Pentru a asigura confortul termic necesar desfăşurării, în bune condiţii, a

activităţilor, orice imobil trebuie prevăzut cu o instalaţie pentru încălzire, care să

poată acoperi necesarul de căldură şi debitul necesar de apă caldă menajeră.

Instalaţia termică transformă energia calorică a combustibililor în energie

termică. Dintre combustibilii utilizaţi în instalaţiile termice cea mai mare pondere o au

combustibili fosili cum ar fi gazul metan, lemnul , cărbunele …

Unul din principalele obiective ale politicilor energetice mondiale este

reducerea consumurilor de combustibil fosil. În această ordine de idei, folosirea surselor

regenerabile de energie, pentru încălzirea locuinţelor, este un obiectiv interesant care are

ca scop, în contextul dezvoltării durabile, creşterea siguranţei în alimentarea cu

energie, protejarea mediului înconjurător şi dezvoltarea la scară comercială a tehnologiilor

energetice viabile.

Instalaţiile termice care folosesc surse de energie regenerabile sunt, în prezent,

o soluţie bună pentru o energie ieftină şi relativ curată. Deoarece energiile

regenerabile nu produc emisii poluante prezintă reale avantaje pentru mediul mondial

şi pentru combaterea poluării locale. Obiectivul principal al folosirii energiilor

regenerabile îl reprezintă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Studiile oamenilor

de ştiinţă au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creştere

puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încălzire globală a

atmosferei terestre de 2 - 6 oC, până la sfârşitul acestui secol, cu efecte dezastroase asupra

mediului înconjurător.

Ţinând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii şi de

înlocuire a instalaţiilor existente, este necesar să se accelereze ritmul de dezvoltare a

noilor tehnologii curate şi a celor care presupun consumuri energetice reduse.

Pentru utilizarea practică a surselor de energie pe lângă o temperatură cât mai constantă

pe parcursul întregului an mai trebuie respectate următoarele criterii:

- disponibilitate suficientă

- capacitate cât mai mare de acumulare

- nivel cât mai ridicat de temperatură

- 7 -


- regenerare suficientă

- captare economică

- timp redus de aşteptare

- să nu fie corozivă

Utilizarea aerului drept sursă de căldură se recomandă în special în cazul

clădirilor existente, unde pompele de căldură aer-apă sau aer-aer îşi pot aduce contribuţia

la încălzire prin funcţionarea în sistem bivalent, completând deci încălzirea clasică

bazată pe arderea unui combustibil.

Puterea termică a agregatelor de pompa de căldură funcţionând cu aer ca sursă de

căldură este stabilită de către constructorul acestora încă din fabrică.

Pompele de căldură aer-apă pot funcţiona pe perioada întregului an, întocmai ca şi

pompele de căldură ce extrag căldura din sol sau din apa freatică.

Trebuie însă observat faptul că puterea termică de încălzire a unei astfel de

pompe de căldură variază foarte mult în funcţie de temperatura aerului sursă de căldură.

Astfel, la începutul şi sfârşitul perioadei de încălzire (toamna şi primăvara), puterea termică

de încălzire este mult mai mare decât în cea mai rece zi a anului şi simţitor mai mare

decât necesarul de căldură al clădirii(dacă pompa de căldură a fost gândită să funcţioneze în

regim monovalent).

Din acest motiv , un astfel tip de pompă de căldură trebuie dotată cu un sistem de reglare a

puterii termice livrate consumatorului de căldură.

Aerul evacuat din sistemele de climatizare reprezintă o sursă de căldură obişnuită

pentru pompele de căldură din clădirile comerciale şi rezidenţiale. Prin recuperarea

căldurii din aerul evacuat, pompele de căldură realizează încălzirea apei şi/sau a spaţiilor.

În timpul perioadei de încălzire sau chiar în decursul întregului an este necesară

funcţionarea continuă a sistemului de climatizare-ventilare. Unele tipuri de pompe de

căldură sunt astfel proiectate încât să utilizeze atât aer ambiant cât şi aer evacuat.

În cazul clădirilor mari, pompele de căldură având ca sursă de căldură aerul evacuat sunt

de multe ori cuplate cu sisteme de recuperare a căldurii de tipul aer-aer.

Apa freatică prezintă o temperatură constantă (4-10ºC) în multe zone. Pentru

utilizarea ei sunt utilizate sisteme închise sau deschise. În sistemele deschise, apa

subterană este pompată , răcită şi apoi reinjectată într-un puţ separat sau returnată

- 8 -


către apa de suprafaţă. Sistemele de suprafaţă trebuiesc proiectate cu mare atenţie,

pentru evitarea problemelor legate de îngheţ, coroziune şi colmatare. Sistemele închise

pot fi sisteme cu detentă directă (în care agentul termic

de lucru vaporizează în interiorul ţevilor montate subteran), sau sisteme cu agent

intermediar. Sistemele cu agent intermediar prezintă în general performanţe tehnice mai

scăzute, dar sunt mai uşor de întreţinut. Dezavantajul major al acestor pompe de căldură

este costul ridicat al lucrărilor pentru exploatarea sursei de căldură. Există totodată

posibilitatea unor constrângeri suplimentare generate de legislaţia privitoare la protecţia

stratului de apă freatică şi la preîntâmpinarea poluării solului.

Solul prezintă aceleaşi avantaje ca şi apa freatică , şi anume are temperaturi medii

anuale ridicate. Căldura este extrasă cu ajutorul unor conducte îngropate orizontal sau

vertical în sol, iar sistemele pot fi de asemenea cu detentă directă sau sisteme cu agent

intermediar.

Capacitatea termică a solului depinde de umiditatea acestuia şi de condiţiile

climatice. Datorită extragerii de căldură din sol, temperatura acestuia va scădea în

decursul perioadei de încălzire. În regiunile foarte reci, cea mai mare parte a căldurii este

extrasă sub forma de căldură latentă ,atunci când solul îngheaţă. Cu toate acestea în

timpul perioadei de vară, radiaţia solară încălzeşte solul, iar refacerea potenţialului termic

este posibilă în totalitate.

Solul prezintă capacitatea de a înmagazina sezonier căldura provenită de la

soare, lucru care conduce la obţinerea unei temperaturi relativ constante a acestei

surse de căldură şi la atingerea unor coeficienţi sezonieri de performanţă de valori

ridicate.

Contribuţia energiei geotermice – adică a acelui flux de căldură îndreptat de la interiorul

către exteriorul pământului- este atât de redusă încât poate fi neglijată .Rezultă deci că

energia extrasă din sol de către acest tip de pompe de căldură provine aproape exclusiv de la

soare.

Pompele de căldură pentru clădirile de locuit şi care utilizează solul drept sursă de

căldurăsunt astăzi executate sub formă de instalaţii compacte, ce pot fi montate cu uşurinţă

în clădire. Căldura preluată de la sursa de căldură este transportată cu ajutorul unui

amestec antigel,al cărui punct de îngheţ se situează la circa -15 ºC. Prin aceasta se asigură

faptul că sonda nu va îngheţa în timpul funcţionării.

- 9 -


Extragerea căldurii din sol se poate face cu ajutorul unui sistem de ţevi din

material sintetic, cu o mare suprafaţă de transfer.

Căldura geotermală poate fi utilizată ca sursă de căldură acolo unde apa

freatică este foarte puţină sau lipseşte total. Adâncimea forajelor atinge 100...200m.

Atunci când este necesară o capacitate termică ridicată, forajele se fac înclinat

pentru a cuprinde un volum mai mare se stâncă. Acest tip de pompă de căldură este

întotdeauna conectat la un sistem de agent intermediar realizat din conducte din plastic.

Unele dintre pompele de căldură de acest tip destinate clădirilor comerciale utilizează

masivul pentru acumularea căldurii sau a frigului. Costurile ridicate ale operaţiunilor de

foraj împiedică însă utilizarea căldurii geotermale ca sursă pentru pompele de căldură

domestice.

Apa de râu şi de lac este în principiu o sursă foarte bună de căldură dar are ca

principal dezavantaj o temperatură scăzută în timpul iernii (apropiată de 0 ºC).

Din acest motiv trebuie luate măsuri de siguranţă pentru a evita îngheţarea

vaporizatorului.

Apa de mare este o sursă excelentă de căldură şi este utilizată în special pentru pompe

de căldură de puteri medii şi mari. La adâncimea de 25-50m, apa de mare are temperatura

constantă 5-8ºC, iar formarea gheţii nu mai constituie o problemă (Punctul de îngheţ este la -2

ºC).Se pot folosi atât sistemele cu detentă directă cât şi sistemele cu agent intermediar.

Pentru preîntâmpinarea coroziunii şi a colmatării cu substanţe organice trebuiesc

luate

măsuri constructive speciale în realizarea schimbătoarelor de căldură a pompelor şi a conducte-

lor.

Apa tehnologică se caracterizează prin temperaturi constante şi relativ ridicate în tot

timpul anului. Principalele probleme sunt legate de distanţa până la utilizator şi de

variaţia fluxului de căldură transportat. Ca posibile exemple privind sursele de căldură

din această categorie sunt: efluenţii provenind din canalizare (apa de canalizare tratată

şi netratată), efluenţii industriali, precum şi apa de răcire (pentru condensare) de la

procese industriale sau din producerea de energie electrică.

2. Importanţa folosirii surselor de energie regenerabile

Sursele fosile posedă proprietăţi foarte folositoare care le-au făcut foarte populare în

ultimul secol. Din nefericire, sursele fosile nu sunt regenerabile. Mai mult decât atât,

acestea sunt responsabile de emisiile de CO2 din atmosferă, care sunt dăunătoare unui climat

- 10 -


ecologic. Utilizarea în continuare a surselor de energie fosile ar produce o creştere a emisiilor

de CO2 care este reprezentată în figură

Fig.I.2 1. Creşterea emisiilor de CO2 generate prin arderea surselor fosile de energie

În anul 2000, ponderea surselor regenerabile în producţia totală de energie primară

pe plan mondial era de 13,8 %. Din analiza ratelor de dezvoltare din ultimele trei

decenii se observă că energia produsă din surse regenerabile a înregistrat o creştere anuală

de 2%.

Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă şi oceane pot fi absorbite circa 11

mili-arde de tone de CO2 din atmosferă (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon),

ceea ce

reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o

creştere permanentă a concentraţiei de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte

de

dezvoltarea industrială la 360 ppm în prezent.

Estimând că la sfârşitul acestui secol populaţia globului va atinge circa 10 miliarde

de locuitori, în condiţiile unor drepturi de emisie uniforme pentru intreaga populaţie, pentru

a nu depăşi concentraţia de CO2 de 450 ppm în atmosferă, ar fi necesar ca emisiile

pe cap de locuitor să se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru ţările

dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră.

Prognoza consumului de energie primară realizată de Consiliul Mondial al

Energiei

pentru anul 2050, în ipoteza unei creşteri economice de 3 % pe an, fără o

modificare a tendinţelor actuale de descreştere a intensităţii energetice şi de

- 11 -


asimilare a resurselor energetice regenerabile, evidenţiază un consum de circa 25 Gt de

emisii poluante, din care 15Gt de emisii poluante provin din combustibilii fosili. Pentru a

se păstra o concentraţie de CO2 de 450 ppm, ceea ce reprezintă circa 6 Gt carbon,

cantitatea maximă de combustibili fosili utilizabilă nu trebuie să depăşească 7 Gt de

emisii poluante, rezultând un deficit de 18 Gt de emisii poluante care ar trebui acoperit

din surse nucleare şi surse regenerabile. Rezultă că pentru o dezvoltare energetica

durabilă nu ar trebui să se depăşească la nivelul anlui 2050 un consum de 13-18 Gt de

emisii poluante, acoperit din combustibili fosili 7 Gt de emisii poluante, din nuclear

2-3 Gt de emisii poluante şi restul de 4-9 Gt de emisii poluante din resurse

regenerabile.

Pentru atingerea acestui obiectiv ambiţios, propus de ţările Uniunii Europene, de

a reduce de patru ori emisiile la orizontul anului 2050, se estimează o puternică

“decarbonizare”

a sistemului energetic, prin apelare atât la energia nucleară, dar mai ales la

sursele regenerabile de energie.

Ţinând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii şi de

înlocuire a instalaţiilor existente, este necesar să se accelereze ritmul de dezvoltare a

noilor tehnologii curate şi a celor care presupun consumuri energetice reduse. În acelaşi

timp este necesară o profundă evoluţie a stilului de viaţă şi o orientare către o dezvoltare

durabilă.

Este evident că pe termen mediu sursele regenerabile de energie nu pot fi privite

ca alternativă totală la sursele convenţionale, dar este cert că, în măsura potenţialului

local, datorită avantajelor pe care le au (resurse locale abundente, ecologice, ieftine,

independente de importuri), acestea trebuie utilizate în complementaritate cu combustibilii

fosili şi energia nucleară.

3.Stabilirea amplasamentului şi a dimensiunilor

- 12 -


Fig.4.1

Amplasarea imobilului cu birouri

Imobilul pentru care se va proiecta instalaţia de încălzire şi preparare a

apei calde menajere este o clădire destinată unor birouri cu pc-uri, în care lucrează 15

persoane.

Imobilul este compus din 6 încăperi, avândîmpreună o suprafaţă de 468 m2 .

Pereţii exteriori sunt realizaţi din panouri sandwich cu o grosime de 15 cm .

Pereţii interiori sunt realizaţi din cărămidă care au o grosime de 20 cm.

Podeaua este realizată dintr-un strat de 30 cm de beton peste care se montează termoizolaţie

din polistiren extrudat cu grosime de 15 cm. Peste izolaţie se aplică un parchet de lemn de brad

cu o grosime de 4 cm.

Tavanul realizat din beton armat, având o grosime de 20 cm este izolat cu polistiren

extrudat cu grosime de 15 cm .

Geamurile şi uşile care comunică cu exteriorul sunt realizate din termopan .

- 13 -


Fig.4.2

Dimensiunile imobilului cu birouri

- 14 -


Fig.4.3Vedere frontală

- 15 -


Fig.4.4

Vedere din spate

În figura de mai jos este prezentat tipul de panou folosit pentru pereţii exteriori

- 16 -


Fig.4.5 Panouri de tip sandwich

Dimensiunile imobilului sunt prezentate in tabelul următor:

Tabelul 4.1

Încăperea Lungimea [m] Lăţimea [m] Înălţimea [m]

Birou director 5 4

2,5

Birou secretară 5 3

Birouri cu pc-uri 20 10

Sală de şedinţe 15 7

Baie1 5 4

Baie2 5 4

hol 24 2,5

- 17 -


II. Memoriu justificativ de calcul

1.Determinarea necesarului de căldură pentru încălzirea imobilului cu

birouri

1.1.Calcul privind influenţa unui strat de izolaţie termică

Se face pentru mai multe tipuri de izolaţie şi diferite grosimi :polistiren expandat şi

panouri sandwich

(1.1)

(1.2)

În tabelul 1.1 sunt prezentate rezultatele obţinute pentru diferite grosimi de izolaţie şi pentru

panouri de tip sandwich, a coeficientului global de transfer termic

Tabelul 1.1

Tipuri de

izolaţie

Coeficientul

global de

transfer

termic

Grosimile izolaţiilor în milimetrii

0 50 100 150 200 250

Polistiren

expandatK

1,33 0,50 0,307 0,22 0,177 0,14

Panouri

sandwich

0 0,342 0,175 0,118 0,089 0,071

În tabelul 1.2 sunt prezentate rezultatele obţinute tinand cont de pierderile de caldura prin pereti

- 18 -


Tabelul 1.2

Tipuri de

izolaţie

Fluxul de

căldură

pierdut

prin pereţi

Grosimile izolaţiilor în milimetrii

0 50 100 150 200 250

Polistiren

expandatQ[kw/m2]

68 25,5 15,69 11,33 8,87 7,28

Panouri

sandwich0 17,41 8,93 6,01 4,52 3,63

Fig.1.1 Diagrama pierderilor de căldură in funcţie de grosimea izolaţiei

În urma studiului făcut asupra izolaţiilor şi al panourilor sandwich am ales pentru

pereţii exteriori panouri sandwich cu grosimea de 150 mm

- 19 -


2.Determinarea necesarului de căldură şi apă caldă menajeră pentru

încălzirea imobilului

2.1Calculul necesarului pentru reîmprospătarea aerului din încăpere

=1.29 kg/m3

[kj/kg]

(2.1)

(2.2)

2.2Calculul necesarului pentru încălzirea imobilului

(2.3)

În tabelul 2.1 sunt prezentate rezultatele obţinute pentru necesarul de căldură.

Tabelul 2.1- 20 -


Simbol Formula de calcul

Rezultatele

obţinute

[kw]

2,573

2,472

1,187

0,856

7,088

2.3Calculul necesarului pentru apă caldă menajeră

=0,508 [kw] (2.4)

Debitul de apă caldă menajeră

Căldura specifică a apei

Temperatura finală a apei

Temperatura apei de la reţea

n Numărul de persoane

Căldura specifică a aerului

(2.5)

- 21 -


În tabelul de mai jos sunt prezentate rezultatele cu necesarul de căldură

Tabelul 2.2

[kw] [kw] [kw] [kw]

7,088 0,508 0,0195 7,616

3.Soluţii tehnice de incălzire utilizând pompe de căldură

- 22 -


3.1.Regimurile termice ale condensatorului si vaporizatorului în funcţie de tipul

pompei de căldură studiate

Fig. 3.1 Regimul termic al vaporizatorului la pompa de căldură de tipul aer-

apă

Fig.3.2 Regimul termic al vaporizatorului la pompa de căldură de tipul apă-apă

Fig.3.3 Regimul termic al vaporizatorului la pompa de căldură de tipul sol apă

cu sonde

- 23 -


Fig.3.4 Regimul termic al vaporizatorului la pompa de căldură de tipul sol-apă

cu colectori plani

Fig. 3.5Regimul termic al vaporizatorului la pompa de căldură cu vaporizare

directă în sol

Fig. 3.6Regimul termic al condensatorului

- 24 -


În figurile de mai sus sunt prezentate regimurile termice ale vaporizatorului în funcţie de tipul

de pompă de căldură utilizat .Temperaturile solului au fost luate din diagrama din fig.3.6.2.1iar

temperatura apei subterane din documentaţia firmei Viesmann.

3.2Utilizarea unei pompe de căldură

Funcţionarea pompelor de căldură are la bază principiul al doilea al

termodinamicii

care afirmă : „căldura nu trece, de la sine, de la un mediu cu o temperatură mai scăzută la un

mediu cu o temperatură mai ridicată”. Pentru a face posibilă trecerea căldurii de la un mediu cu

temperatură mai scăzută la un mediu cu o temperatură mai ridicată este nevoie de un

consum de lucru mecanic.

Prin utilizarea unei instalaţii termice sub forma unei pompe de căldură se face posibilă

preluarea energiei termice solare, înmagazinată sub formă de căldură, din apă sol sau aer şi

folosirea ei pentru încălzirea locuinţelor. Toate aceste surse de căldură, mai sus menţionate,

reprezintă un acumulator al energiei solare, astfel încât utilizând aceste surse se utilizează, de

fapt, indirect, energia solară. Pentru mediul din care se extrage căldura, apa, solul sau aerul, se

foloseşte denumirea de mediu răcit, sau sursă caldă. Mediul în care se valorifică căldura este

denumit mediu încălzit sau sursă rece. În componenţa unei pompe de căldură se regăsesc în

mod obligatoriu următoarele aparate: un compresor, un vaporizator, un condensator şi

un ventil de laminare, fără acestea instalaţia nu ar putea funcţiona. Pe lângă aceste aparate

mai pot exista şi altele în funcţie de specificul instalaţiei, dar acestea vor fi regăsite în

orice instalaţie termică sub formă de pompă de căldură. Alte componente care mai pot fi

regăsite într-o pompă de căldură sunt schimbătoarele de căldură intermediare a căror

importanţă le face să fie folosite frecvent, precum şi elementele de automatizare care

realizează o creştere a randamentului instalaţiei precum şi o uşurinţă mare în utilizare.

Elementul esenţial în procesul de captare şi cedare a energiei este agentul termic din

circuitul interior al pompei de căldură. Acesta are proprietatea de a trece din stare lichidă în

stare de vapori reci la temperaturi scăzute.

În interiorul unei pompe de căldură agentul termic suferă patru transformări ale stării

termodinamice. Cele patru faze ale procesului de transfer termic care are loc în

interiorul pompei de căldură se desfăşoară astfel. Agentul termic lichid la aflat la o

temperatură mai scăzută decât cea a mediului răcit intră în vaporizator unde se produce

transferul de căldură de la sursa caldă la agentul termic. La ieşirea din vaporizator

- 25 -


agentul termic este în stare de vapori reci. Vaporii reci de agent termic intră în

compresor unde, cu ajutorul energiei electrice, se produce creşterea de presiune şi

temperatură a acestora. La ieşirea din compresor vaporii calzi de agent termic vor avea o

temperatură mai mare decât cea a mediului încălzit. Vaporii calzi de agent termic intră în

condensator unde se produce transferul de căldură de la vaporii calzi la apa din circuitul

închis al sistemului de încălzire al casei. La ieşirea din condensator, în urma cedării

căldurii, agentul termic este în stare lichidă cu o temperatură şi o presiune mai mare decât

cea a mediului răcit. Agentul termic, lichid intră în ventilul de laminare, unde

temperatura şi presiunea acestuia scade până la o valoare inferioară celei din mediul răcit.

Din acest moment ciclul se reia.

Fig.3.2.2 Funcţionarea pompei de căldură

1 -vaporizator

2 -compresor

3 -condensator

4 -ventil de laminare

Coeficientul de performanta COP al unei pompe de caldura reprezinta raportul dintre puterea de

incalzire a acesteia si puterea electrica absorbita de la retea, respectiv :

COP = PUTEREA DE INCALZIRE : PUTEREA ELECTRICA ABSORBITA

In cazul pompelor de caldura tip apa - apa, coeficientul de performanta este COP = 5,4 - 5,5.

Aceasta inseamna ca 1 kWh de energie electrica absorbita produce, prin intermediul pompei de

caldura tip apa-apa, 5,4 - 5,5 kWh energie termica.

În figura 3.2.3 este prezentat schematic principiul de funcţionare al pompelor de căldură

- 26 -


Fig.3.2.3 Principiul de funcţionare al pompei de căldură

3.3Utilizarea pompei de căldură în varianta aer-apă

Această variantă de pompă de căldura aer-apă (sursa rece- aerul, agent termic- apa) ,extrage

energia solară, înmagazinată sub formă de căldură, din aerul exterior pe care o introduce în

circuitul pentru încălzirea locuinţei. În prezent această pompă de căldură poate fi utilizată pe

durata întregului an, în clădiri construite conform standardelor în vigoare, în

combinaţie cu o rezistenţă electrică.

Sursa de căldură aer, este foarte uşor de obţinut şi este disponibilă peste tot, în cantităţi

nelimitate. Prin aer se înţelege în acest context utilizarea aerului din exterior. Nu se acceptă

utilizarea ca sursă de căldură, în clădiri de locuit, a aerului interior pentru încălzirea

locuinţelor. Aceasta se poate realiza numai în cazuri speciale ca de exemplu în cazul utilizării

de căldură recuperată, în firme de producţie şi în industrie. În cazul pompelor de

căldură pentru aer dimensionarea sursei de căldură se stabileşte în funcţie de tipul

constructiv şi de dimensiunea aparatului. Cantitatea necesară de aer este dirijată de

către un ventilator încorporat în aparat, prin canale de aer, către vaporizator, care extrage

căldura din el.

Dezavantajul major al sistemului este faptul ca nu poate functiona monovalent la temperaturi

foarte scazute (incepand de la cca.-15ºC). Aceste PDC pot functiona bivalent- paralel mono-

energetic prin folosirea unei rezistente electrice care intra in functiune la temperaturi foarte

scazute ( sub -15º C). Datorita acestui fapt puterea de incalzire este limitata. Cu toate

dezavantajele prezentate PDC aer-apa este extrem de utilizata atat la sistemele de preparare a

apei calde menajere cat si la incalzire. Prin cooperarea dintre panouri solare si PDC aer- apa se - 27 -


realizeaza un sistem ultraeficient de producere a apei calde menajere. Anumite tipuri de PDC

aer-apa au cuplate panouri solare si pentru incalzirea de iarna!

În figura 3.3.4 este prezentată o instalaţie termică cu pompă de căldură de tip aer-apa:

Fig. 3.3.4 Pompa de căldură tip aer-apă

3.4 Utilizarea pompei de căldură în varianta sol-apă cu captatoare plane şi

sonde

Pompa de căldură în varianta sol apă utilizează energia solară , stocată în sol. Solul

captează energia solară, fie direct prin radiaţie, fie sub formă de căldură proveniră de la ploi şi din

aer. Solul înmagazinează şi menţine căldura pe o perioadă mai lungă de timp ceea ce

conduce la un nivel de temperatură al sursei de căldură aproximativ constant de-a lungul unui an

ceea ce facilitează funcţionarea pompelor de căldură cu un randament ridicat. Căldura

- 28 -


acumulată în sol se preia prin schimbătoare de căldură montate orizontal, numite şi colectori

pentru sol, sau prin schimbătoare de căldură montate vertical aşa numite sonde pentru sol.

Aceste instalaţii funcţionează de regulă în regim monovalent şi se utilizează

aproximativ la fel cu cele care extrag căldură din apa freatică deoarece sondele şi

schimbătoarele de căldură se vor monta cât mai aproape de suprafaţa pânzei freatice.

Montarea sondelor şi a schimbătoarelor de căldură la un nivel inferior pânzei freatice nu se

aprobă de obicei, deoarece nu se poate preveni avarierea orizontului apei freatice. Astfel se va

proteja apa potabilă aflată la un nivel inferior.

În figura 3.4.1 este prezentată o instalaţie termică cu pompă de căldură de tip sol-apă cu

captatoare plane:

Fig.3.4.1 pompă de căldură tip sol-apă cu captatoare plane

În figura 3.4.2 este prezentată o instalaţie termică cu pompă de căldură de tip sol-apă cu

sonde forate:

Fig3.4.2Pompă de căldură cu sonde forate

- 29 -


3.5 Utilizarea pompei de căldură în varianta apă-apă

Utilizarea energiei solare acumulată în apa din pânza freatică se face într-un

mod foarte asemănător cu cel descris mai sus în cazul utilizării energiei solului. Apa

freatică este un bun acumulator pentru căldura solară, care chiar şi în zilele reci de

iarnă se menţine o temperatură constantă, de 7 până la 12 °C fapt care reprezintă un avantaj.

Datorită nivelului de temperatură constant al sursei de căldură, indicele de putere al pompei de

căldură se menţine ridicat de-a lungul întregului an.

Sistemul apa-apa (sursa rece- apa, agent termic- apa) este numit si sistem de captare cu bucla

deschisa. Viteza de curgere a apei prin vaporizator nu trebuie sa depaseasca 0.8m/s Vorbim

despre PDC care poate realiza cel mai ridicat COP dintre toate PDC la care ne referim.Un astfel

de sistem apa-apa poate ajunge usor la un COP=5 si chiar il poate depasi daca este bine realizat

si corect dimensionat. De asemenea poate furniza puteri impresionante ajungand la mii de kW,

pe o singura unitate sau cupland mai multe unitati de putere mai mica.

Cu toate acestea, pana la ora actuala, cel putin in Europa, nu este cea mai raspandita PDC.

Motivele sunt mai multe:

-calitatea apei trebuie sa indeplineasca practic calitatea apei potabile;

-apa extrasa din straturile freatice trebuie reinjectata in sol (putul de injectie trebuie sa fie

amplasat la minim 15m in aval fata de directia de curgere a apei in panza freatica)

-pentru fiecare kW termic instalat este necesar un volum minim de apa de 160litri/ora, adica

0.16mc/ora (la min 8 º C), debitul trebuind asigurat in orice moment de putul de extractie;.

Calitatile impuse apei folosite ca sursa rece la o PDC:

Tabelul 3.5.1

conductibilitate electrica > 450 µsiemens/cm ( la temp. de 20 grade C)

ph < 10

clorid < 100 mg/l

sulfat < 50 mg/l

nitrat <100 mg/l

bioxid de carbon liber agresiv < 5 mg/l

oxigen < 1 mg/l

amoniu < 2 mg/l

fier si mangan < 1 mg/l

- 30 -


sulfit < 5 mg/l

clor liber < 5 mg/l

depuneri 0

Cu toate aceste conditii grele , PDC apa-apa are un rol deosebit de important in industrie sau in

exploatarea la maximum a izvoarelor geotermale. Apele reziduale sau apele geotermale cu

temp. maxime de 28-30 º C pot fi cu succes valorificate. In cazul apelor geotermale izvorul

poate fi multiplicat prin folosirea in cascada a mai multor PDC. Evident se va tine cont de

calitatea apei, acest impediment putind fi evitat prin folosirea unor schimbatoare de caldura

adecvate (anticorosive).

PDC apa-apa poate fi utilizata si prin exploatarea apei din lacuri, fluvii, ape de tunel, baraje

(care au temperaturi > 8 º C). Si in aceste situatii calitatea apei fiind esentiala. Folosirea unor

filtre corespunzatoare poate rezolva cu succes acest impediment.

In cazul utilizarii PDC apa-apa este bine de stiut ca se poate folosi apa extrasa din sol la

racirea directa ( pasiva )a spatiilor. Costurile de exploatare ale unui astfel de sistem sunt

neglijabile (doar pompa de extragere a apei din put si pompele de recirculare). Exista, totusi si

sisteme care fac exceptie.

În figura 3.5.1 este prezentată o instalaţie termică cu pompă de căldură de tip apă-apă

Fig. 3.5.1Pompă de căldură varianta apă-apă

3.6 Utilizarea pompei de căldură cu vaporizare directă în sol

Are acelaşi principiu de funcţionare ca şi pompa de căldură in varianta sol-apă cu

captatori plani numai că circuitul secundar de antigel este înlocuit de agentul primar al pompei

de căldură.

- 31 -


PDC sol-apa ( sursa rece- solul, agent termic- apa) este o PDC foarte raspandita comparativ cu

cea apa-apa si are ca "sursa rece" caldura solara acumulata in straturile superioare ale

Pamantului. Practica a aratat si teoria a confirmat, ca incepind de la o anumita distanta in sol

(cca15m), temperatura ramane relativ constanta , cu fiecare 30m in adincime temperatura

crescand doar cu cca un grad Celsius. Daca suntem interesati doar de straturile superficiale, pina

la adincimea de max 200-250 m, putem vorbi de o temperatura cuprinsa intre 8-16 grade

Celsius.Pentru o PDC sol -apa aceasta temperatura este ideala pentru producerea energiei

termice.PDC poate functiona doar daca temperatura "sursei reci" (deci a solului) nu depaseste

28-30 grade Celsius (cea minima fiind in jur de 8º C) Peste aceasta temperatura PDC sol - apa,

si in general orice PDC, nu mai poate fi utilizata. Acelasi lucru este valabil si la temperaturi mai

mici de cca 8º C.

Pentru a evita posibilele confuzii pe care unii dintre noi ar putea usor sa le faca atunci cand se

vorbeste de energia geotermala a Pamantului, va prezentam structura temperaturilor in

profunzime,spre Centrul Pamantului:

Fig.3.6.1Temperatura in pamant

Acest urias potential energetic aflat la mii de km adancime nu face obiectul folosirii PDC.

Caldura necesara functionarii acestora se extrage doar din straturile superioare (care sunt

incalzite, de fapt, de la Soare) si, asa cum am specificat, temperatura la care se folosesc PDC sol

apa este intre cca. 8º C si 30º C .Folosirea PDC in cooperare cu izvoare geotermale de mare

adancime, ce au temperaturi de mii de grade C ( aceste izvoare numindu-se si" izvoare de roca

fierbinte") este posibila doar dupa ce acestea din urma au pierdut potentialul si au ajuns la

temperaturi compatibile cu functionarea unei PDC.

Precizarile de mai sus au fost facute in scopul evitarii confuziilor care apar de obicei in discutii

legate de caldura geotermala a Pamantului. Lucrurile se vor putea usor lamuri daca se face

- 32 -


precizarea de la inceput despre ce straturi ale Pamantului vorbim: despre straturile superioare

(max. 250m) sau despre straturile inferioare (mii de km).

In straturile superficiale ale Pamintului situatia sta in felul urmator:

Fig.3.6.2 Temperatura in straturile superficiale ale pamantului

Fig.3.6.1Pompă de căldură cu vaporizare directă în sol

- 33 -


Bineinteles ca mai exista si cazurile sol-aer, apa-aer sau aer-aer dar nu sunt utilizate decat in

cazuri rare la sistemele de incalzire- datorita eficientei scazute a agentului termic aerul

(sistemele cunoscute sub denumirea generica de "aer conditionat" sunt de fapt PDC aer-aer iar

COP-ul lor este sub 3).

4.Alegerea ciclului frigorific şi a agentului frigorific

Am analizat doua tipuri de agenţi ,freon şi propan şi doua tipuri de cicluri cu regenerare

internă de căldură si fără regenerare internă.

Fig.4.1reprezintă diagrama de funcţionare fara schimbător intern regenerativ

Fig.4.1 Diagrama de funcţionare

Fig.4.2 Este reprezentată schema simplificată după care funcţionează o pompă de căldură fără

schimbător intern regenerativ

- 34 -


Fig.4.2 Schema de funcţionare

Agentul de lucru trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

- presiunea de vaporizare apropiată de presiunea atmosferică şi uşor superioară

acesteia

- presiunea de condensare cat mai redusă

- căldura preluată prin vaporizare să fie cât mai mare

- căldura specifică în stare lichidă să fie cât mai mică

- volum specific al vaporilor cât mai mic

- sa nu fie inflamabili, explozivi sau toxici

- să nu fie poluanţi

Utilizarea unor freoni necorespunzători poate duce la scăderea eficienţei instalaţiei sau

La supradimensionarea elementelor componente ale instalaţiei ceea ce atrage după sine

creşterea preţului de achiziţie. Cea mai bună soluţie la alegerea freonului este efectuarea

unui calcul cu ajutorul programului coolpack.

- 35 -


Fig.4.3

Tabelul 4.1

R407C Propan

.

[kg/s]

0,0566 0,0329

Cop

(eficienta)3,16 3,23

is 0,7 0,7

În tabelul 4.1 de mai sus sunt rezultatele obţinute pentru un necesar de căldură de 10

kw şi temperaturile de vaporizare respectiv condensare de –10 si 35 de grade celsius

Am ales in urma studiului asupra celor doua tipuri de agenţi ca agent de lucru pentru

pompa de căldură propanul deoarece avem un debit de agent mai mic deci o instalaţie mai

mică şi o eficienţă mai mare faţa de agentul R407C ,propanul fiind un agent natural adică

nepoluant.

- 36 -


5.Calculul termic al sistemului de incălzire utilizând pompe de căldură

În figura 5.1 este prezentată schema de funcţionare a pompelor de căldură care au schimbător

intern regenerativ.

- 37 -


Fig.5.1 Schema de funcţionare a pompei de căldură cu schimbător regenerativ intern

Figura 5.2 reprezintă diagrama de funcţionare a unei pompe de căldură cu schimbător intern

regenerativ

Fig.5.2 Diagrama de funcţionare a pompelor cu schimbător intern regenerativ

5.1aCalculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta

sol-apă cu captatori plani.

- 38 -


(5.1)

(5.2)

(5.3)

(5.4)

În tabelul 5.1a.1 sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei

de căldură care funcţionează cu propan fără subrăcire avansată.

Tabelul 5.1a.1

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m]

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 -5 4,09 470,37 0.11 1.77 1

1’ 0 4,09 478,99 0.116 1.8 -

2 56,19 16,33 546,34 - 1.8 -

3 43 16,33 217,16 - 0.782 -

4 -5 4,09 217,16 - - -

În tabelul 5.1a.1a sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei

de căldură care funcţionează cu R407C fără subrăcire avansată .

Tabelul 5.1a.1a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

- 39 -


1 -5 3,79 410,06 0,064 1,79 1

1’ 0 3,79 415,19 0,066 1,81 -

2 68,20 18,81 456,18 - 1,81 -

3 43 18,81 260,62 - 1,20 -

4 -5 3,79 260,62 - - -

În tabelul 5.1a.2 sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei

de căldură care funcţionează cu propan si subrăcire avansată

Tabelul 5.1a.2

În

tabelul

- 40 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 -5 4,022 567,47 0,11 2,37 1

1’ 0 4,022 577,01 0,115 2,40 -

1’’ 5 4,022 585,68 0,118 2,438 -

2 63.37 16,47 655,02 0,03 2,438 -

3 48 16,47 328,24 0,0022 1,42 0

3’ 43 16,47 313,5 0,0021 1,337 -

3’’ 40 16,47 304,83 0,0021 1,350 -

4 -5 4,022 304,83 0,035 1,392 0,268

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 -5 4,22 412,04 0,056 1,79 1

1’ 0 4,22 414,06 0,057 1,8 -

1’’ 5 4,22 418,09 0,058 1,815 -

2 68,18 18,63 456,43 0,0139 1,815 -

3 48 18,63 279,39 0,001 1,262 0

3’ 43 18,63 269,3 - 1,23 -

3’’ 40 18,63 265,27 0,001 1,217 -

4 -5 4,22 265,27 0,018 1,245 -


5.1a.2a sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei de căldură

care funcţionează cu R407C cu subrăcire avansată

Tabelul 5.1a.2a

Figura 5.1a.1 şi 5.1a.2 reprezintă diagrama de funcţionare pentru pompa de caldură sol-apă cu

captatoare plane

Fig5.1a.1 Diagrama pentru propan Fig5.1a.2 Diagrama pentru R407C

Tabelul 5.1a.3reprezintă rezultatele calculului sistemului de încălzire în funcţie de agentul şi

pompa folosită fără subrăcire avansată .

Tabelul 5.1a.3

- 41 -


Agentul folosit propan R407C

Pc [kw] 1,629 1,66

cop 4,2 4,03

[kw] 6,331 6,292

[kg/s] 0,024 0,041

Tabelul 5.1a.3a reprezintă rezultatele calculului sistemului de încălzire în funcţie de agentul şi

pompa folosită cu subrăcire avansată

Tabelul 5.1a.3a


Pc [kw] 1,614 1,631

cop 4,93 4,881

[kw] 6,33 6,33

[kg/s] 0,023 0,043

5.1bCalculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta

sol-apă cu sonde

În tabelul 5.1b.1 sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei

de căldură care funcţionează cu R407C cu subrăcire avansată.

- 42 -


Tabelul 5.1b.1

În tabelul 5.1b.1a sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului

pompei de căldură care funcţionează cu R407C fără subrăcire avansată.

Tabelul 5.1b.1a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 5 5,42 416,32 0,044 1,78 1

1’ 10 5,42 420,88 0,045 1,80 -

2 64,7 18,81 452,48 - 1,80 -

3 43 18,81 260,62 - - -

4 5 5,42 260,62 - - -

În tabelul 5.1b.2 sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei

de căldură care funcţionează cu propan cu subrăcire avansată.

Tabelul 5.1b.2

- 43 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 5 5,39 415,9 1,78 0,044 1

1’ 10 5,39 420,42 1,803 0,045 -

1’’ 15 5,39 424,94 1,81 0,046 -

2 66,86 18,63 457,25 1,81 0,013 -

3 48 18,63 278,93 1,261 0,001 0

3’ 43 18,63 269,89 1,232 - -

3’’ 40,9 18,63 265,37 1,218 - -

4 5 5,39 265,37 1,23 0,011 0,286


În tabelul 5.1b.2a sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului

pompei de căldură care funcţionează cu propan fără subrăcire avansată.

Tabelul 5.1b.2a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 5 5,552 481,86 0,084 1,765 1

1’ 10 5,552 490,92 0,086 1,797 -

2 54,87 16,33 543,33 - 1,797 -

3 43 16,33 217,16 - 0,782 -

4 5 5,552 217,16 - - -

Tabelul 5.1b.3 reprezintă rezultatele calculului sistemului de încălzire în funcţie de agentul şi

pompa de căldură folosită.

Tabelul5.1b.3


Pc [kw] 1,282 1,373

cop 6,207 5,79

[kw] 6,668 6,512

[kg/s] 0,023 0,042

Tabelul 5.1b.3a reprezintă rezultatele calculului sistemului de încălzire în funcţie de agentul şi

pompa de căldură folosită.

- 44 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 5 5,48 578,31 0,083 2,36 1

1’ 10 5,48 587,84 0,085 2,39 -

1’’ 15 5,48 597,38 0,088 2,427 -

2 62,16 16,47 651,98 0,0299 2,427 -

3 48 16,47 329,54 0,0022 1,42 0

3’ 43 16,47 313,50 0,0021 1,37 -

3’’ 39,73 16,47 303,96 0,00212 1,34 -

4 5 5,48 303,96 0,022 1,37 0,25


Tabelul5.1b.3a


Pc [kw] 1,279 1,31

cop 5,64 5,3

[kw] 6,68 6,64

[kg/s] 0,024 0,041

Fig5.1b.1 Diagrama pentru R407C Fig5.1b.2 Diagrama pentru propan

5.2Calculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta

apă-apă

În tabelul 5.2.1a sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei

de căldură care funcţionează cu R407C fără subrăcire avansată.

Tabelul 5.2.1a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 2 5,079 478,43 0,091 1,76 1

1’ 7 5,079 487,35 0,093 1,79 -

2 55,21 16,33 544,12 - 1,79 -

3 43 16,33 217,16 - 1,784 -

4 2 5,079 217,16 - - -

- 45 -


În tabelul 5.2.1 sunt prezentaţi parametrii principalelor stări caracteristice ale ciclului pompei


Tabelul 5.2.1



Tabelul 5.2.2a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 2 4,89 414,28 0,048 1,78 1

1’ 7 4,89 418,81 0,05 1,80 -

2 66,32 18,81 453,37 0,013 1,80 -

3 43 18,81 260,62 - - -

4 2 4,89 260,62 - - -


de căldură care funcţionează cu propan.

- 46 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 2 4,87 414,27 0,048 1,78 1

1’ 7 4,87 419,12 0,05 1,8 -

1’’ 12 4,87 423,43 0,051 1,82 -

2 70,42 18,63 458,47 0,013 1,82 -

3 48 18,63 279,26 0,0011 1,26 0

3’ 43 18,63 269,56 - 1,123 -

3’’ 41 18,63 265,25 0,0010 1,215 -

4 2 4,87 265,25 0,013 1,23 0,3


Tabelul 5.2.2

Tabelul 5.2.3a reprezintă rezultatele calculului sistemului de încălzire în funcţie de agentul şi

pompa de căldură folosită fără subrăcire avansată.

Tabelul5.2.3a


Pc [kw] 1,382 1,427

cop 5,69 5,32

[kw] 6,578 6,53

[kg/s] 0,024 0,041

Tabelul 5.2.3 reprezintă rezultatele calculului sistemului de încălzire în funcţie de agentul şi

pompa de căldură folosită cu subrăcire avansată.

Tabelul5.2.3


Pc [kw] 1,38 1,476

cop 5,76 5,39

[kw] 6,389 6,484

- 47 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 2 5.009 574,84 0,09 2,36 1

1’ 7 5.009 585,24 0,093 2,4 -

1’’ 12 5.009 593,24 0,0961 2,43 -

2 62,53 16,47 652,85 0,030 2,43 -

3 48 16,47 329,54 0,002 1,427 0

3’ 43 16,47 313,07 0,0021 1,374 -

3’’ 39,7 16,47 304 0,0021 1,34 -

4 2 5.009 304 0,025 1,378 0,268


[kg/s] 0,023 0,042

Fig5.2.1Diagrama pentru propan Fig5.2.2 Diagrama pentru R407C

5.3Calculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta

aer-apă



Tabelul 5.3.1a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 -32 1,24 393,29 0,179 1,83 1

1’ -27 1,24 397,81 0,184 1,84 -

2 79 18,81 468,32 - 1,84 -

3 43 18,81 260,62 - - -

4 -32 1,24 260,62 - - -



- 48 -


Tabelul 5.3.1



Tabelul 5.3.2a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 -32 1,55 438,66 0,279 1,82 1

1’ -27 1,55 446,28 0,281 1,85 -

2 62,8 16,33 561,30 - 1,85 -

3 43 16,33 217,16 - 0,782 -

4 -32 1,55 217,16 - - -



Tabelul5.3.2

- 49 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 -32 1,26 393,93 0,177 1,83 1

1’ -27 1,26 397,81 0,181 1,87 -

1’’ -22 1,26 401,69 0,185 1,86 -

2 82 18,63 472,43 0,015 1,86 -

3 48 18,63 278,93 0,001 1,26 0

3’ 43 18,63 269,89 - 1,233 -

3’’ 41,4 18,63 266 0,001 1,22 -

4 -32 18,63 266 0,071 1,291 0,47



pompa de căldură folosită fără subrăcire avansată.

Tabelul5.3.3a


Pc [kw] 2,66 2,7

cop 2,90 2,76

[kw] 5,3 5,258

[kg/s] 0,023 0,038


pompa de căldură folosită cu subrăcire avansată.

Tabelul5.3.3


Pc [kw] 2,634 2,78

Cop [-] 3,022 2,86

[kw] 5,326 5,18

[kg/s] 0,022 0,039

- 50 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 -32 1,51 536,7 0,283 2,42 1

1’ -27 1,51 544,5 0,29 2,45 -

1’’ -22 1,51 553,17 0,298 2,488 -

2 70,65 16,47 671,92 0,031 2,488 -

3 48 16,47 328,67 0,0022 1,425 0

3’ 43 16,47 313,07 0,00215 1,376 -

3’’ 39,8 16,47 304,4 0,0021 1,348 -

4 -32 1,51 304,4 0,123 1,455 0,436


Fig5.3.1 Diagrama pentru R407C Fig5.3.2 Diagrama pentru propan

5.4Calculul sistemului de încălzire utilizând pompa de căldură în varianta cu

vaporizare directă în sol



Tabelul 5.4.1



Tabelul 5.4.1a

stare T P H V [m S X

- 51 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 5 5,39 415,9 0,044 1,78 1

1’ 10 5,39 420,42 0,045 1,802 -

1’’ 15 5,39 424,94 0,046 1,817 -

2 69,21 18,63 457,25 0,013 1,817 -

3 48 18,63 278,93 0,001 1,26 0

3’ 43 18,63 269,89 - 1,23 -

3’’ 40,9 18,63 265,37 0,001 1,218 -

4 5 5,39 265,37 0,011 1,236 0,287


[c] [bar] [kj/kg] [kj/kgK] [kg/kg]

1 5 5,42 416,32 0,044 1,78 1

1’ 10 5,42 420,88 0,045 1,80 -

2 64,7 18,81 452,48 - 1,80 -

3 43 18,81 260,62 - - -

4 5 5,42 260,62 - - -



Tabelul 5.4.2



Tabelul 5.4.2a

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

- 52 -

stareT

[c]

P

[bar]

H

[kj/kg]V [m

S

[kj/kgK]

X

[kg/kg]

1 5 5,48 578,32 0,083 2,360 1

1’ 10 5,48 587,84 0,0857 2,39 -

1’’ 15 5,48 597,38 0,0881 2,427 -

2 62,16 16,47 651,98 0,0299 2,427 -

3 48 16,47 329,54 0,0022 1,42 0

3’ 43 16,47 313,07 0,0021 1,376 -

3’’ 39,42 16,47 303,53 0,0021 1,34 -

4 5 5,48 303,53 0,022 1,37 0,248


1 5 5,552 481,86 0,084 1,765 1

1’ 10 5,552 490,92 0,086 1,797 -

2 54,87 16,33 543,33 - 1,797 -

3 43 16,33 217,16 - 0,782 -

4 5 5,552 217,16 - - -


pompa de căldură folosită cu subrăcire avansată

Tabelul 5.4.3


Pc [kw] 1,282 1,373

Cop [-] 6,207 5,799

[kw] 6,678 6,587

[kg/s] 0,023 0,042


pompa de căldură folosită fără subrăcire avansat

Tabelul5.4.3a


Pc [kw] 1,279 1,31

Cop [-] 5,64 5,3

[kw] 6,681 6,649

[kg/s] 0,024 0,041

- 53 -


Fig5.4.1 Diagrama pentru propan Fig5.4.2 Diagrama pentru R407C

6.Analiza comparativa tehnico-economica si alegerea solutiei optime

Tabelul 6.1 reprezintă eficienţa frigorifică a pompelor de căldură studiate

Tabelul 6.1

Varianta de pompă de

căldură

Eficienţa în funcţie de agentul termic (cop)

propan R407C

Cu subrăcire

avansată

Fără

subrăcire

avansată

Cu subrăcire

avansată

Fără

subrăcire

avansată

Apă-apă 5,76 4,2 5,39 4,03

Aer-apă 3,022 2,9 2,86 2,76

Sol-apă cu colectori liniari 4,93 4,2 4,88 4,1

Sol-apă cu sonde 6,207 5,63 5,79 5,3

Vaporizare directă în sol 6,207 5,65 5,79 5,5

- 54 -


Fig.6.1 Eficienţa pompei în funcţie de tipul acesteia

Fig.6.2 Eficienţa pompei în funcţie de tipul acesteia

- 55 -


Pompa aer-sol datorită eficienţei termice scăzute nu este recomandată deoarece duce la

preţuri de exploatare ridicate .Varianta sol-apă cu colectori orizontali necesită o suprafaţă mare

a colectorului în jur de 400 m² şi are şi o eficienţă termică mai scăzută ,varianta apă-apă are o

eficienţa mai scăzută faţă de variantele cu vaporizare directă în sol şi sol-apă cu sonde deci iasă

din calcul.

Varianta sol-apă cu sonde şi cu vaporizare directă în sol sunt cele mai recomandate

variante deoarece au o eficienţă ridicată .

În alegerea variantei de pompă de căldură care va fi folosită în încălzirea locuinţei pe lângă

factorul economic mai trebuie ţinut cont şi de o serie de factori de altă natură cum sunt:

dimensiunile grădinii locuinţei, existenţa unei pânze freatice cu un debit ridicat,

cunoaşterea compoziţiei solului, tipul solului, modul de dispunere a straturilor de

roci etc.

Am ales pompa de căldură cu vaporizare directă în sol ,prezentată în figura 6.3, pentru că

nu necesită un circuit secundar de agent ca şi varianta de pompă de căldură cu sonde care are

nevoie de antigel ca să preia căldura din sol, deci în acest caz avem nevoie de o pompă şi o reţea

de ţevi în plus faţa de pompa cu vaporizare directă în sol.

Fig.6.3 Pompa de căldură cu vaporizare directă

În tabelul 6.2 sunt prezentate datele tehnice ale pompei alese

- 56 -


Tabelul 6.2

SuPRO Therma

7 DS

Capacitate termică la W10/W35 [kW] 7,98

Capacitate de răcire la W10/W35 [kW] 6,47

Puterea instalată la W10/W35 [kW] 1,51

Cifra de eficienţă W10/W35 5,30

Intesi curentului în timpul fucţionării la W10/W35 [A] 3,80

Nr. Regiştrii vaporizator direct [Stück] 4

Cantitate agent frigotehnic Propan R290 [kg] 2 bis 2,5

Intesitatea maximă[A] 8,3

Curentul la pornire (*1) [A] 36

Siguranţa la alimentare 20 träge

Tensiunea [V] 3 x 400

Frecvenţa [Hz] 50

Turaţia compresorului [s^-1] 2950

Debit volumic al compresorului la 2900s^-1 [m³/h] 8,10

Cantitate ulei în compresor [ltr] 1,00

Racord aspiraţie [mm] 19,20

Racord refulare [mm] 12,80

Înălţimea de construcţie a compresorului [mm] 412

Greutatea compresorului [kg] 28,50

Dimensiuni pompa de căldură L/l/Î [mm] 1060/620/ 1040

Greutate pompa de căldură [kg]

Dimensiuni panou de comandă L/l/Î [mm] 560/160/530

7.Calculul de dimensionare şi alegere a aparatelor componente

- 57 -


Una dintre cele mai importante activităţi în proiectarea instalaţiilor de

încălzire este reprezentată de calculul sau alegerea componentelor instalaţiei. Importanţa

acestei etape provine din faptul că aparatele proiectate sau alese pentru a face parte din

instalaţie sunt cele care trebuie să asigure în timpul funcţionării acesteia, temperatura

interioară şi temperatura apei calde menajere solicitate de beneficiar.

Elementele de alegere sau proiectare a componentelor instalaţiilor de încălzire

provin din calculul termic al instalaţiei, de unde rezultă următoarele:

- Schimburile energetice:

- Sarcini termice ale schimbătoarelor de căldură;

- Puterile de comprimare;

- Debitele masice şi volumice de agent frigorific şi agenţi secundari (aer, apă,

agenţi intermediari, etc.);

- Regimul termic al schimbătoarelor de căldură (temperaturile de intrare şi ieşire în

şi din schimbătoarele de căldură);

- Presiunile de lucru ale agentului frigorific şi ale agenţilor secundari;

- Valorile parametrilor termodinamici în stările caracteristice ale ciclului de

lucru, care reprezintă stări de intrate sau ieşire în şi din aparatele instalaţiei.

Alegerea corectă a aparatelor componente are o mare importanţă asupra

funcţionării instalaţiei. O alegere supradimensionată sau subdimensionată a aparatelor

componente ar duce la scăderea eficienţei instalaţiei şi la creşterea cheltuielilor pentru

exploatare.

7.1 Alegerea vaporizatorului şi a condensatorului

Schimbătoarele de căldură clasice tip multitubulare necesită o suprafaţă mare de

schimb de căldură ceea ce ar duce la gabarite mari ale pompelor de căldură. Pentru a scăpa

de acest dezavantaj, condensatorul este de tipul schimbătorului cu plăci brazate.

Schimbătoarele de căldură cu plăci brazate sunt realizate din oţel inoxidabil asamblate

prin lipire cu ajutorul unui aliaj pe bază de cupru în cuptoare sub vid după cum se poate vedea şi

din figura 7.1.1

- 58 -


Figura 7.1.1 Realizarea schimbătoarelor cu plăci brazate

- 59 -

Figura 7.1.2 . Realizarea schimbătoarelor cu

plăci brazate


Condensatorul este un schimbător de căldură cu plăci brazate tip Sl-IT10-15-TLA-

LIQUID.

Vaporizatorul este îngropat în pământ si este făcut din ţevi de cupru acoperite cu un

anticoroziv. Adâncimea de îngropare a vaporizatorului este aproximativ 1,3 metri distanţa de

aşezare dintre spire fiind de 60-80 de cm.

Calculul de dimensionare al vaporizatorului:

2 kw corespund la 75 de metri de ţeavă de 12 (date luate din documentaţia firmei Oeko-

Therm)

m (7.1)

Fig7.1.3 Ţeava de cupru cu izolaţie anticorozivă

În figurile 7.1.4,7.1.5,7.1.6 este prezentat modul de aranjare al ţevilor vaporizatorului.

- 60 -


Fig.7.1.4modul de aranjar al tevilor vaporizatorului

Fig7.1.5Dispunerea ţevilor unui vaporizator

- 61 -


Fig.7.1.6Acoperirea ţevilor

7.2Încalzirea în pardoseala

În alegerea sistemului de încălzire prin pardoseală există astăzi păreri diferite.

Datorită numeroaselor probleme generate de colmaterea cauzată de difuzia oxigenului. În anii

’80 în Germania au fost realizate numeroase sisteme de încălzire, care utilizează surse

clasice de căldură (cazane) şi folosesc ţeava ce nu permite difuzia oxigenului.

Problemele apăreau însă în acele instalaţii de încălzire unde era prelucrat oţelul. Aici

producea oxigenului coroziune şi conducea la apariţia depunerilor sub formă de nămol.

Dacă instalaţia nu conţine elemente ce pot fi corodate, nu se formează nici depunerile sub

formă de nămol. În unele ţări europene se utilizează de asemenea ţevi care permit

difuzia oxigenului, dar materialele sunt rezistente la coroziune şi cazanul este protejat prin

intercalarea unui schimbător de căldură. Această experienţă tehnică a condus şi în

Germania la utilizarea ţevilor din polipropilenă, care chiar dacă sunt mai scumpe, prezintă

o foarte bună rezistenţă la difuzia oxigenului şi compensează astfel cheltuielile

suplimentare pentru instalaţia de încălzire cu pompa de căldură.O schemă a încălzirii prin

pardoseală este prezentată în figura 7.2.1

- 62 -


Fig.7.2.1 Modul de aşezare al ţevilor pentru încălzirea în pardoseală

Sistemele de încălzire prin pardoseală lucrează cu temperaturi superficiale scăzute chiar şi

la sarcini termice mici.

7.3Calculul de alegere al compresorului

În alegerea compresorului, la fel ca şi în cazul alegerii vaporizatoarelor şi

condensatoarelor un criteriu important l-a reprezentat dimensiunile de gabarit. Din această cauză

nu s-a optat pentru un compresor cu piston ci la unul cu spirale.

- 63 -


Fig.7.3.1 Compresor cu spirală

Modul de funcţionare al acestor tipuri de compresoare este ilustrat în figura 7.3.2

Figura 7.3.2 Principiul de funcţionare al compresorului cu spirală

Fazele funcţionării:

-aspiraţia 1: în timpul deplasării spiralei inferioare se formează două zone prin care sunt

aspiraţi vaporii de agent frigorific până în momentul în care cele două zone se închid

-comprimarea 2 şi 3 : mişcarea spiralei antrenează vaporii spre zona centrală, iar

volumul ocupat de vapori se reduce treptat ceea ce produce comprimarea acestora.

-refularea 4 : vaporii comprimaţi sunt evacuaţi prin orificiul din zona centrală.

- 64 -


Se observă că în timpul funcţionării cele trei faze se desfăşoară simultan,

simetric şi continuu, ceea ce reprezintă o caracteristică a acestui tip de compresor, care va

fi supus unei variaţii de cuplu mai redusă decât în cazul compresorului cu piston. Compresorul

nu necesită supape, fiind suficientă o simplă clapetă unisens, care împiedică reîntoarcerea

vaporilor refulaţi. Raportul de comprimare este fix iar coeficientul de debit este foarte bun

pentru că nu există spaţiu mort.

Alegerea compresorului se face în funcţie de debitul de agent frigorific aspirat.

Calculul acestui debit se face cu relaţiile următoare:

(7.3.1)

(7.3.2)

(7.3.3)

(7.3.4)

(7.3.5)

(7.3.6)

(7.3.7)

În tabelul 7.3.1 sunt prezentate valorile debitelor volumice si a coeficientului de debit ,în

funcţie de acestea am ales în continuare compresorul pentru pompa de căldură.

Tabelul7.3.1

[m3/s] [m3/h] [-]

0,0051 18,62 0,65

- 65 -


Notatiile utilizate reprezinta :

m0 –spaţiu mort relativ

- coeficient de debit

np- indicele transformării politropice

pk - cresterea presiunii înaintea începerii procesului de refulare

p0 - scăderea presiunii înaintea începerii procesului de aspiraţie

-debitul volumic efectiv

-debitul volumic teoretic

-debitul volumic teoretic orar

Fig7.3.3 Diagrama de alegere a compresorului

De la firma germană Bitzer, pe baza diagramei 7.3.3 se alege un compresor ES622 cu

un debit de 20 m³/h.

7.4Alegerea schimbătorului intern de căldură

Schimbătorul intern de căldură are rolul de a permite încălzirea vaporilor de agent

frigorific aspiraţi de compresor pe baza răcirii lichidului, mărindu-se astfel eficienţa

- 66 -


pompei de căldură. Schimbătorul intern de căldură este un schimbător tip tub în tub.

Astfel de schimbătoare sunt prezentate în figura 7.4.1.

Fig.7.4.1Schimbatoare interne de căldură

Alegerea schimbătorului regenerativ de căldură se face pe baza produsului relaţiei 7.4.3.

(7.4.1)

(7.4.2)

(7.4.3)

Tabelul 7.4.1

- 67 -


[w/c] [ c] [kw]

7,62 28,704 0,219

Pe baza acestui produs de la firma daneză Danfoss se alege din tabelul 7.4.2

schimbătorul regenerativ HE 4.0 .

Tabelul7.4.2

Desenul de execuţie al acestui schimbător regenerativ este prezentat în figura 7.4.2.

Figura 7.4.2 Desenul de execuţie al schimbătorului regenerativ

7.5Alegere ventilului de laminare termostatic

- 68 -


Ventilele de laminare termostatice sunt echipamente sunt elemente specifice

instalaţiilor frigorifice destinate reglării automate a gradului de supraîncălzire a

vaporilor care părăsesc vaporizatorul. Alegerea ventilului de laminare termostatic se

face în funcţie de o serie de parametri cum sunt: tipul agentului frigorific, presiunea de

lucru, sarcina termică a vaporizatorului, temperatura de evaporare şi valoarea punctului

MOP. Ventilele de laminare tip MOP protejează instalaţia împotriva creşterii presiunii de

aspiraţie.

Din catalogul firmei daneze Danfoss prezentat în tabelul 7.5.1se alege pentru propan

un ventil de laminare termostatic tip TX/TEX2-1.5 care poate fi folosit pentru o sarcină

termică a vaporizatorului de până la 10 KW.

Pentru o reglare cât mai exactă a gradului de supraîncălzire bulbul ventilului de

laminare termostatic trebuie montat pe conducta de ieşire din vaporizator analog intervalul

dintre orele 1 şi 4 pe cadranul unui ceas.

Tabelul 7.5.1 Catalog pentru ventile de laminare termostatice

- 69 -


Fig7.5.1 Ventile de laminare termostatice TEX2

Fig7.5.2 Desenul de execuţie al ventilelor de laminare

- 70 -


7.6Alegerea pompei de recirculare a agentului termic

Alegerea pompelor se face în funcţie de debitul volumic de lichid vehiculat de pompă

şi de înălţimea de pompare.

Debitul de agent termic vehiculat se face cu ajutorul relaţiei 7.6.2

Calculul debitului volumic de agent termic secundar (apa)

(7.6.1)

(7.6.2)

unde:

-debitul de agent secundar

cp - căldura specifică a agentului secundar

-puterea condensatorului

-căderea de temperatura pe condensator

D-debitul orar de agent secundar

-densitatea agentului secundar

Tabelul7.6.1

[kg/s] D [m3/h]

0.91 0.686

De la firma Grundfos am ales pompa UPS 40-50FB 250

Caracteristica Pompei este prezentată în figura 7.6.2 iar în figura 7.6.1 este prezentat

desenul de execuţie al acestei pompe.

- 71 -


Fig.7.6.1 Pompa de recirculare

Fig.7.6.2 Caracteristica pompei de recirculare

7.7Alegerea boilerului pentru prepararea apei calde menajere

- 72 -


Alegerea boilerului pentru apă caldă menajeră s-a făcut în funcţie de numărul de

persoane care lucrează în imobilul cu birouri şi în funcţie de necesarul de apă caldă menajeră

calculat la capitolul 2.

Firma Viessmann recomandă ca în cazul în care prepararea apei calde cu ajutorul pompelor de

căldură nu se face instantaneu ci cu un rezervor de acumulare să se folosească un boiler

Vitocell L-300.. Câteva din caracteristicile acestui tip de boiler sunt :capacitatea de 350 litri,

izolaţie de mare eficienţa care reduc simţitor pierderile de căldură, încălzirea întregului volum de

apă prin serpentina boilerului care ajunge până la baza acestuia, prepararea rapidă a apei calde

menajere, este realizat din oţel inoxidabil, prezintă doi anozi din magneziu împotriva coroziunii

şi o rezistenţă electrică.

Prezentarea acestui boiler s-a făcut în figura7.7.1 În figura 7.7.2 este prezentat desenul de

execuţie

Fig.7.7.1 Boiler Vitocell L300

- 73 -


Fig.7.7.2 Desenul de execuţie al boilerului

7.8Alegerea pompelor de recirculare a apei calde menajere

Firma Viessmann, firma producătoare a boilerului recomandă să se utilizeze ca

pompă de recirculare o pompă Grundfos UP25-40.

Caracteristicile acestei pompe sunt redate în figura 7.8.1

Fig.7.8.1 Caracteristica pompei

7.9Alegerea electroventilelor

- 74 -


Electroventilele sunt aparate de automatizare care închid sau deschid un circuit atunci când

primesc o comandă de la un termostat sau presostat. În figura 7.9.1 sunt prezentate

electroventilele produse de firma Danfoss.

Fig.7.9.1 Electroventile

Alegerea acestor electroventile se face în funcţie de debitul de agent vehiculat.

Din catalogul firmei Danfos prezentat în figura 7.9.2 pentru încălzire pe baza relaţiei 7.6.2 se

alege câte un electroventil MEV 80-2 atât pentru circuitul de încălzire a apei calde menajere

cât şi pentru circuitul de încălzire al imobilului.

- 75 -


Fig.7.9.2 Catalog de electroventile Danfoss

Desenul de execuţie al acestui electroventil este prezentat în figura 7.9.3

Fig.7.9.3 Desenul de execuţie al electroventilului

7.10Alegerea termostatelor

- 76 -


Termostatele închid sau deschid circuite electrice de comandă, în funcţie de

valoarea temperaturii reglate, care este detectată prin intermediul unul bulb, sau un element

termosensibil conectat la un burduf elastic. Principiul de funcţionare al termostatelor este

prezentat în figura 7.10.1.

Fig.7.10.1 Principiul de funcţionare al unui termostat

Traductorul de temperatură este reprezentat de bulbul 29, legat prin tubul

capilar 28 de burduful elastic 23. În bulb se găseşte agent frigorific lichid în echilibru cu

vapori, iar presiunea din bulb este proporţională cu temperatura. Astfel, variaţia

temperaturii controlate de termostat este transformată în variaţia unei presiuni, care

acţionează asupra burdufului elastic. Mecanismul termostatului cuprinde tija principală

15, care este acţionată de burduful elastic şi de resortul principal 12. Tensiunea

resortului poate fi reglată cu ajutorul şurubului de reglaj 44, acţionat prin intermediul

butonului 5. Sub acţiunea diferenţei de forţă datorate presiunii din bulb şi cea datorată

resortului principal, tija termostatului se poate deplasa, modificând poziţia contactelor 16.

Alegerea termostatelor se realizează ţinând seama de tipul aplicaţiei în care vor fi

utilizate,deci de funcţiile pe care trebuie să le îndeplinească. În figura 7,.22 sunt

prezentate domeniile de utilizare a termostatelor tip KP de la firma Danfoss

- 77 -


Fig.7.10.2 Domeniile de funcţionare ale termostatelor

Din figura 7.10.2 se alege pentru reglarea temperaturii interioare un termostat KP 69 iar

pentru reglarea temperaturii apei calde menajere din boiler un termostat KP 79.

7.11Alegerea presostatelor

Presostatele închid sau deschid circuite electrice de comandă, în funcţie de valoarea

presiunii reglate, care este detectată prin intermediul unui burduf elastic. Principiul de

- 78 -


funcţionare a unui presostat este prezentat în figura 7.11.1.

Fig.7.11.1 Principiu de funcţionare al unui presostat

Presiunea care trebuie reglată, acţionează prin intermediul racordului 27 şi al

burdufului elastic 23, asupra tijei principale 15. Valoarea de referinţă a presiunii controlate,

este materializată cu ajutorul resortului principal 12, care acţionează asupra tijei 15, în

sens opus. Valoarea presiunii de referinţă, la care presostatul acţionează este reglată cu

ajutorul şurubului de reglaj 44.

Presostatele pot fi utilizate atât pentru reglarea presiunii joase (de vaporizare) cât şi

pentru reglarea presiunii de condensare, corespunzător presostatele fiind numite presostate de

joasă presiune sau de înaltă presiune.

Selecţia presostatelor din cataloagele firmelor producătoare se realizează în funcţie

de nivelul presiunii pe care trebuie să o controleze. În figura 7.11.2 sunt prezentate

domeniile de utilizare a presostatelor KP ale firmei Danfoss.

- 79 -


Fig.7.11.2 Domenii de funcţionare ale presostatelor

Din tabelul din figura 7.11.2 pentru reglarea presiunii de vaporizare s-a ales de la firma

daneză Danfoss un presostat KP2 iar pentru reglarea presiunii de condensare un presostat KP

5A.

8.Schema de automatizare

- 80 -


Fig.8.1 Schema de automatizare a instalaţiei

Problema principală a automatizării instalaţiilor de încălzire este menţinerea temperaturii

mediului încălzit la valoarea prescrisă, în condiţii acceptabile, din punct de vedere economic

şi tehnologic, de funcţionare a instalaţiei de încălzire.

Instalaţiile de încălzire consumă energie, pentru producerea efectului util. Eficienţa

sistemelor de încălzire depinde de cantitatea de energie consumată în vederea realizării

efectului util. Aceasta la rândul ei depinde de condiţiile în care se desfăşoară procesele

din această instalaţie dar şi de cantitatea şi calitatea informaţiilor despre sistem, precum şi de

modul în care informaţiile sunt preluate şi folosite.

Una din problemele fundamentale ale încălzirii este reducerea consumurilor energetice, iar

acest obiectiv se poate atinge numai în condiţiile în care funcţionarea instalaţiei şi a

componentelor acesteia este automatizată.

Menţinerea temperaturii constante la valoarea prescrisă a mediului încălzit trebuie

realizată indiferent de variaţia temperaturii externe Unul din cei mai importanţi factori

externi, care schimbă condiţiile interne de funcţionare a instalaţiei este necesarul de căldură.

Instalaţiile de încălzire se proiectează să poată asigura necesarul de căldură nominal, în cele mai

grele condiţii externe de funcţionare, previzibile pentru acea instalaţie.

Regimul staţionar nominal de funcţionare a instalaţiei este caracterizat de egalitatea

dintre puterea termică a instalaţiei şi necesarul total de căldură.

- 81 -


Atâta timp cât instalaţia funcţionează în regimul nominal, nu este necesar nici un

sistem de reglare şi automatizare a acesteia.

În timpul funcţionării instalaţiei aceasta va funcţiona însă extrem de rar în condiţiile

nominale, prevăzute la funcţionare.Astfel pot fi menţionate cel puţin două tipuri de elementa

care determină funcţionarea în condiţii diferite de cele nominale:

-Necesarul de căldură pe care trebuie să îl asigure instalaţia este variabil în timp

-Condiţiile externe de lucru sunt caracterizate de fluctuaţii mari atât diurne cât mai ales

sezoniere, iar modificarea condiţiilor externe determină modificarea condiţiilor interne

de funcţionare a instalaţiei.

Se poate spune că în general reglarea temperaturii mediului încălzit se realizează prin

reglarea diferitelor componente ale instalaţiei astfel încât puterea termică a instalaţiei să fie

în permanenţă egală cu necesarul de căldura.

8.1 Reglarea temperaturii interioare

- 82 -


Menţinerea temperaturii interioare la valoarea de 21 ºC se realizează prin intermediul

unui termostat ,şi un electroventil montat pe circuitul de încălzire în pardoseală iar termostatul în

una din încăperi .

Termostatul sesizează modificarea temperaturii din cameră şi acţionează asupra unui

electroventil montat pe circuitul de încălzire prin pardoseală închizându-l sau deschizându-l

în funcţie de modul de variaţie al temperaturii interioare. Dacă temperatura interioară

creşte termostatul închide ventilul electromagmetic iar dacă temperatura scade termostatul

deschide ventilul elecromagnetic permiţând astfel vehicularea unui debit mai mare de

agent termic secundar prin instalaţia de încălzire prin pardoseală. Reglarea temperaturii

interioare este prezentată în figura 8.1.1.

Fig.8.1.1 Reglarea temperaturii interioare

Electroventilele pot să realizeze o reglare continuă a debitului de agent termic secundar

pentru că în funcţie de temperatura din cameră detectată de traductorul de

temperatură, regulatorul comandă coborârea sau urcarea organului de închidere a

robinetului, ceea ce determină scăderea sau creşterea secţiunii de curgere în funcţie de

necesităţi.

8.2.Reglarea temperaturii apei calde menajere

Reglarea temperaturii apei calde menajere se realizează prin intermediul unui termostat

montat pe boiler fig.8.2,1.- 83 -


Fig.8.2.1.Reglarea temperaturii apei calde menajere

Termostatul este reglat să asigure o temperatură a apei din boiler de 45ºC.

Când temperatura apei calde menajere începe să scadă, termostatul acţionează

asupra pompei (figura 8.2.1) montată pe circuitul de agent termic secundar deschizând-o şi

porneşte alimentarea cu energie electrică a rezistenţei . Când temperatura apei din boiler

atinge temperatura de 45ºC, termostatul închide electroventilul şi opreşte alimentarea cu

energie a pompei de recirculare a apei din boiler, acesta urmând a fi deschis când

temperatura apei calde menajere începe să scadă.

8.3 Reglarea supraîncălzirii vaporilor de agent termic primar (propan)

Reglarea supraîncălzirii vaporilor se face cu ajutorul ventilului de laminare termostatic

prezentat în figura 8.3.1

- 84 -


Fig.8.3.1 Reglarea supraîncălzirii vaporilor

Dacă diferenţa dintre temperatura de vaporizare, măsurată la intrarea în vaporizator şi

temperatura vaporilor la ieşirea din vaporizator, scade atunci presiunea din bulbul

montat pe ieşirea din vaporizator scade şi reduce secţiunea de curgere prin ventil.

Dacă diferenţa dintre cele două temperaturi, care măsoară gradul de supraîncălzire

devine prea mare, corespunzător unui necesar de frig mai mare decât puterea frigorifică

a vaporizatorului, atunci ventilul termostatic determină creşterea secţiunii de curgere prin

ventilul de laminare. Corespunzător va creşte debitul masic de lichid care alimentează

vaporizatorul, iar acest debit măreşte puterea frigorifică a vaporizatorului, şi se supraîncălzeşte

mai greu. Când diferenţa dintre temperatura de vaporizare şi temperatura vaporilor la

ieşirea din vaporizator, este prea mare ventilul electromagnetic opreşte alimentarea cu agent a

vaporizatorului.

8.4 Reglarea sarcinii termice a compresorului

Reglarea sarcinii termice a compresorului reprezintă soluţia la problema fundamentală a

automatizării instalaţiei de încălzire, şi anume realizarea unei permanente corelaţii

intre necesarul de căldură şi puterea termică a instalaţiei, în condiţii acceptabile din punct de

vedere tehnic, economic, tehnologic şi energetic.

- 85 -


Sarcina frigorifică a compresorului depinde direct proporţional de turaţia arborelui

acestuia. Modificarea turaţiei compresorului se poate realiza prin utilizarea unui motor

de antrenare a compresorului asincron cu mai multe trepte de turaţie.

Dacă se doreşte o reglare mai precisă a turaţiei, se pot utiliza un redresor cuplat cu un

motor de curent continuu sau un convertizor de frecvenţă cuplat cu un motor de

curent alternativ. Când necesarul de căldură scade, temperatura de condensare creşte

deoarece agentul termic secundar nu mai poate să preia căldura degajată în urma

condensării. Crescând temperatura de condensare creşte şi presiunea de condensare , creştere

de presiune sesizată de presostatul montat pe conducta de refulare (figura7.4). Presostatul

comandă un convertizor de frecvenţă care determină scăderea turaţiei arborelui

compresorului. Când presiunea de condensare scade, acelaşi presostat acţionează asupra

convertizorului de frecvenţă determinând creşterea turaţiei arborelui.

O altă metodă de reglare a puterii compresorului este prezentată în continuare.

Ea constă în realizarea unui circuit de scurtcircuitare (by pass) între conducta de refulare

şi de aspiraţie a compresorului ca în figura 8.4.1.

Fig.8.4.1 Reglarea sarcinii termice a compresorului

Între conducta de refulare 2 şi cea de aspiraţie 8 a compresorului 1 se montrează ventilul

de reglare 4 acţionat de regulatorul de presiune de aspiraţie 5. Acest sistem de reglare a

puterii frigorifice este prevăzut şi cu un regulator al temperaturii de refulare 3 care

acţionează asupra ventilului de injecţie 6, ce realizează o legătură între conducta de

lichid 7 şi conducta de aspiraţie. Când necesarul de căldură scade, presostatul 5

sesizează creşterea presiunii de condensare şi deschide treptat ventilul de by-pass 4.

Astfel o parte din vaporii refulaţi de compresor se vor întoarce în conducta de aspiraţie

ceea ce determină o scădere a presiunii de condensare. Datorită faptului că pe timp de vară - 86 -


necesarul de căldură este redus deoarece se prepară doar apă caldă menajeră utilizarea

acestei metode de reglare a puterii compresorului nu este rentabilă deoarece duce la

cheltuieli de exploatare ridicate.

O altă metodă de reglare a puterii instalaţiei este utilizarea a două compresoare legate

în paralel. În anotimpul rece funcţionează ambele compresoare iar în anotimpul cald se

sistează funcţionarea unui compresor. Nici această soluţie nu este rentabilă din punct de

vedere economic deoarece preţul de achiziţie al celui de-al doilea compresor este ridicat.

Fig.8..4.2 reprezintă automatizarea pentru oprirea si pornirea compresorului cu un presostat de

joasa presiune ,oprirea si pornirea compresorului corespunzând cu oprirea si pornirea

pompei de căldură.

Fig.8.4.2 Oprirea şi pornirea compresorului

8.5 Pornirea si oprirea pompelor de căldură

Când una din temperaturile reglate a scăzut (s-a deschis electroventilul de pe circuitul

de agent termic secundar) termostatul comandă deschiderea electroventilului de pe intrarea în

vaporizatorul pompei de căldură. Deschizându-se electroventilul, agentul frigorific intră în

vaporizator şi vaporizează, în urma vaporizării presiunea de pe aspiraţia compresorului

- 87 -


creşte. Creşterea presiunii de vaporizare este sesizată de presostatul de pe conducta de aspiraţie

care determină pornirea compresorului.

Când necesarul de căldură pentru instalaţie este zero (temperaturile din camere şi din

boiler au atins valorile prestabilite) şi compresorul funcţionează la turaţia

minimă termostatele determină închiderea electroventilului de pe intrarea vaporizatorului

pompei de căldură. Compresorul aspiră în continuare vapori creând o depresiune în

vaporizator . Scăderea presiunii este sesizată de presostatul de joasă presiune care opreşte

instalaţia. Oprirea directă a compresorului la atingerea valorilor de temperatură

prescrise pune mari probleme la pornire, când compresorul aspiră şi lichidul care nu a

apucat să vaporizeze producând aşa numitele lovituri hidraulice.

Fig.8.5 Schema de functionare a instalaţiei

9.Tema tehnologică

La tema tehnologică s-a ales tehnologia de fabricaţie a piesei de legătură a

racordurilor schimbătoarelor de căldură cu plăci. Pentru fabricarea acestor piese se foloseşte

ţeavă de cupru de 20x10 mm.

Itinerarul tehnologic de execuţie al acestei piese este prezentat in Plansa nr.1.

- 88 -


10. Tema economică

Am luat în calcul cinci tipuri de pompe de căldură si o centrală pe gaz, calculele sau făcut pentru

un necesar de 7,16 Kw cu următoarea formulă:

(10.1)

unde:

c- preţul de cost estimativ

Pc- puterea compresorului

- 89 -


P- pretul unui kw de energie electrică sau gaz metan în cazul centralei pe gaz

Tabelul 10.1

Sursa de energie folosită Preţul de cost

Gaz metan 0,40 [$/m3]

Curent electric 0.16 [$/kw]

Rezultatele obţinute sunt prezentate în tabelul 10.2

Costuri estimative de exploatare exprimate în [$]

Interv

alele

de

calcul

Pompe de căldură

Centrală

pe gaz

Vaporiz

are

directă

Apă-

apă

Aer-

apă

Sol-apa

cu

captatori

plani

Sol-apă

cu sonde

Pe zi 2,461 2,65 5,057 3,099 2,46 3,362

Pe

lună73,84 79,488 151,71 92,966 73,84 100,863

- 90 -


Fig.10.1 Diagrama estimativă a costurilor de exploatare

11.Prezentarea instalaţiei

- 91 -


Fig.11.1 Vedere laterală

Fig.11.2Vedere frontală

- 92 -


Fig.11.3 Vedere laterală

Fig.11.4 vedere de sus

- 93 -


Fig.11.5 Pompa de căldură

Fig11.6 Compresorul pompei de căldură

- 94 -


Fig.11.7 Condensatorul pompei de căldură

Fig.11.8 Schimbătorul intern regenerativ de căldură

- 95 -


Fig.11.9 Ventilul de laminare termostatic

Fig.11.10Vaporizatorul pompei de căldură

- 96 -


Fig.11.11Prezentare instalaţie de încălzire şi apă caldă menajeră

Fig.11.12 Instalaţia de încălzire a apei calde

- 97 -


Fig.11.13 Boiler

Fig.11.14 Serpentină si rezistenţa electrică din boiler

- 98 -


Fig.11.15 Pompa de recirculare a apei calde menajere

Fig.11.16 Instalaţia de apă caldă

- 99 -


Fig.11.17 Sistemul de încălzire al imobilului

Fig.11.18 Vas de expansiune

- 100 -


Fig. 11.19 Pompa de recirculare a agentului termic secundar

Fig. 11.20 Distribuitorul de agent termic

- 101 -


Fig.11.21 Aerisitorul instalaţiei de încălzire

Fig.11.22 Instalaţia de încălzire în pardoseală

- 102 -


Fig.11.23 Amplasarea instalaţiei de reîmprospătare a aerului viciat

Fig.11.24 Instalaţia de reîmprospătare a aerului viciat

- 103 -


12. Norme specifice de securitate a muncii pentru lucrări

de instalaţii de încălzire

Pentru executarea lucrărilor efectuate în vederea realizării instalaţiei termice aferente

locuinţei unifamiliale considerate este necesară respectarea Instructiunilor proprii de

securitate si sanatate in munca pentru lucrări de instalaţii de încălzire, care sunt obligatorii

pentru toate activităţile cu acest profil. Acestea sunt prevăzute de Legea nr. 319/2006 şi

de H.G.1425/2006.

Reglementarea măsurilor de securitate a muncii în cadrul normelor specifice de

securitate a muncii, vizând global desfăşurarea uneia sau mai multor activităţi în condiţii de

securitate, se realizează prin tratarea tuturor aspectelor de securitate a muncii la nivelul

fiecărui element al sistemului.

Prevederile sistemului naţional de reglementări normative pentru realizarea securităţii

muncii constituie alături de celelalte reglementări juridice referitoare la sănătatea

şi securitatea în muncă, baza pentru activitatea de concepţie şi proiectare a echipamentelor

de muncă şi tehnologiilor, autorizarea funcţionării unităţilor, instruirea salariaţiilor cu privire

la securitateamuncii,cercetarea accidentelor de munca si stabilirea cauzelor şi

responsabilităţilor, controlul şi autocontrolul de protecţie a muncii precum şi fundamentarea

programului de protecţie a muncii..

Lucrarile ce trebuie executate vor fi facute numai de personal calificat cu instructajul de

securitate si sanatate in munca la zi.

Lucrarile nu vor incepe decat dupa obtinerea tuturor avizelor si acordurile stabilite prin

certificatul de urbanism.

Dupa executia lucrarii se face spalarea instalatiei, proba de etanseitate la 5 bari, proba de

dilatare contractare si proba de functionare a instalatiei.

Masuri de protectie si paza contra incendiilor

Se vor respecta in totalitate prevederile normativelor, reglementarilor in vigoare

referitoare la protectia la foc a constructiilor si instalatiilor aferente;

Normativ de siguranta la foc a constructiilor P118/99;

L307 /2006 privind prevenirea si stingerea incendiilor ;

O 163/2007-Norme generale psi ;

Normativ PSI pe durata executarii executiei lucrarilor de constructii si instalatii aferente

acestora – C 300/94.

- 104 -


Bibliografie

[1] Radcenco V. Instalaţii de pompe de căldură Edit Tehnică Bucureşti 1985

[2] Popa B. Termotehnică,maşini şi instalaţii termice Edit Didactică şi pedagogică

Bucureşti 1971

[3] Bălan M, Pleşa A. Instalaţii frigorifice Construcţie, funcţionare şi calcul. Cluj Napoca 2002.

[5] Gavriliuc R. Pompe de căldură de la teorie la practică Edit Matrix Buc. 1999

[6] www.danfoss.com

[7] www.vissman.de

[8] www.vissman.com

[9] www.oekoterm.com

[10] www.ochsner.ro

[11] www.pompedecaldura2005.ro

- 105 -

http://www.ochsner.ro/

http://www.vissman.de/

http://www.danfoss.com/

a de Incalzire Si de Preparare a Apei Calde Menajere Cu Ajutorul Unei Pompe de Caldura Pentru Un...

Documents

Transcript of a de Incalzire Si de Preparare a Apei Calde Menajere Cu Ajutorul Unei Pompe de Caldura Pentru Un...