Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII

BUCUREŞTI Facultatea de Instalaţii

Catedra de Instalaţii Hidraulice, Termice şi Protecţia Atmosferei

TEZĂ DE DOCTORAT

Soluţii de utilizare a surselor regenerabile pentru reducerea

consumului de energie în clădiri

Doctorand Ing. Mihai Teodor MARIN

Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing. Iolanda COLDA

BUCUREŞTI 2011

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a stagiului de pregătire doctorală de bursă atribuită prin proiectul Burse doctorale pentru ingineria mediului construit, cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul naţional şi cofinanţat de către UTCB.

MULŢUMIRI Cercetarea prezentată în această teză nu ar fi fost posibilă fără sprijinul pe care l-am

primit de la numeroase persoane, şi în primul rând, aş dori să mulţumesc conducătorului

meu ştiinţific Prof. Dr. Ing. IOLANDA COLDA, pentru încrederea acordată, atenta

îndrumare manifestată pe parcursul stagiului de doctorat, precum şi pentru sugestiile

valoroase ce au contribuit la finalizarea tezei.

Doresc să le mulţumesc distinşilor profesori membri ai comisiei de doctorat:

doamnei Prof. Dr. Ing. RODICA FRUNZULICĂ – preşedinte – Prodecan, Universitatea

Tehnică de Construcţii din Bucureşti, doamnei Prof. Dr. Ing. IOLANDA COLDA –

conducător ştiinţific – membru – Universitatea Tehnică de Construcţii din Bucureşti,

domnului Prof. Joseph Virgone – referent – membru – Université Lyon 1, domnului

Conf. FREDERIC KUZNIK – referent – membru – Institut National des Sciences Appliquées

de Lyon, domnului Conf. Dr. Ing. ANDREI DAMIAN – referent – membru –

Universitatea Tehnică de Construcţii din Bucureşti, pentru evaluarea tezei mele şi pentru

sugestiile care au contribuit la îmbunătăţirea conţinutului tezei.

Sunt recunoscător Universităţii Tehnice de Construcţii din Bucureşti pentru

educaţia excelentă pe care am primit-o şi, de asemenea, Facultăţii de Instalaţii pentru

sprijinul acordat pe parcursul anilor de doctorat.

Le mulţumesc şi le sunt recunoscător tuturor celor care într-un fel sau altul mi-au

acordat ajutorul necondiţionat pe durata pregătirii doctorale.

Şi nu în ultimul rând, le mulţumesc părinţilor mei pentru răbdarea, sprijinul şi

încurajarea lor.

Marin Mihai Teodor

2

CUPRINS Introducere 4 Cap. I : Studiul bibliografic……………………………..…................. 6 I.1 Context general …………………………………………………………….. 6 I.1.1 Utilizarea surselor geotermice ………………………………………………………. 6 I.1.2 Situaţia şi evoluţia geotermiei de joasă temperatură ………………………………... 7 I.1.3 Valori cheie ale utilizării pompelor de căldură ……………………………………… 10 I.2 Pompa de căldură geotermică ……………………………………………… 12 I.2.1 Clasificarea pompelor de căldură ………………………………………….………... 13 I.2.2 Agenţi frigorifici ……………………….……………………………………………. 15 I.2.3 Coeficientul de performanţă (COP) …………………………………………….…… 17 I.2.4 Sisteme de pompe de căldură …………………………………….…………………. 20 I.2.5 Domenii de utilizare si tehnologii ………………………………………….………... 25 I.3 Proprietăţi termice ale solului ………………………………..……………... 25 I.3.1 Factorii care influenţează temperatura solului ………………………………………. 26 I.3.2 Proprietăţile termo-fizice ale solului ……………………………………………..….. 28 I.3.3 Evoluţia temperaturii in sol …………………………………….…………………… 30 Cap. II : Standul experimental ………………………………………. 39 II.1 Descrierea standului experimental ……………………………………….... 39 II.1.1 Elemente constructive ……………………………….……………………………... 39 II.1.2 Funcţionare …………………….…………………………………………………… 45 II.2 Măsurători si achiziţii de date ………………………………….………….. 50 II.2.1 Achiziţia de date meteorologice ………………………………………….………… 50 II.2.2 Măsurarea temperaturii ………………………………..……………………………. 58 II.2.3 Măsurarea debitelor …………………………….…………………………………... 60 Cap. III : Modelul informatic …………………………...…………… 65 III.1 Principiul si obiectivul modelării ………………………………………. 65 III.2 Modelarea unui sistem de pompă de căldură …………………………….. 67 III.2.1 TRNSYS……………………………………………................................................ 67 III.2.2 Modelarea sistemelor ……………………………………………………………… 71 III.3 Validarea modelului ……………………………………………………… 77 III.3.1 Generalităţi ………………………………………………………………………… 77

3

III.3.2 Clasificarea erorilor de măsură ………………………………………..................... 78 III.3.3 Analiza rezultatelor obţinute ………………………………………………………. 81 Cap. IV : Studii de caz şi rezultate obţinute …………………………. 86 IV.1 Evaluarea aportului termic şi a consumului de energie electrică al pompei de căldură pentru o clădire de laborator ………………………………………...

88

IV.1.1 Influenţa zonei climatice ………………………………………………………..... 88 IV.1.2 Influenţa puterii instalate a pompei de căldură …………………………………… 102 IV.2 Evaluarea aportului termic şi a consumului de energie electrică al pompei de căldură pentru o clădire de birouri …………………………………………..

115

IV.2.1 Influenţa zonei climatice ………………………………………………………….. 116 IV.2.2 Influenţa puterii instalate a pompei de căldură …………………………………… 127 IV.3 Influenţa automatizării asupra aportului termic şi a consumului de energie electrică al pompei de căldură ……………………………………………….....

139

IV.3.1 Variaţia temperaturii planşeului ………………………………………………….. 139 IV.3.2 Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului ……………… 140 IV.3.3 Evoluţia aportului auxiliar de energie termică …………………………………… 142 IV.3.4 Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse de pompa de căldură 143 IV.4 Influenţa temperaturii interioare asupra aportului termic şi a consumului de energie electrică al pompei de căldură ……………………………………...

144

IV.4.1 Regim încălzire …………………………………………………………………... 144 IV.4.2 Regim răcire ………………………………………………………………………. 150 Cap. V : Concluzii, contribuţii şi direcţii de cercetare ……………... 158 Bibliografie 163

4

Introducere

Actualitatea temei

În contextul general actual, când energiile convenţionale bazate pe arderea combustibililor fosili

sunt poluante şi limitate în timp, se pune un accent din ce în ce mai mare pe exploatarea surselor

regenerabile nepoluante. Atât la nivel mondial cât şi european, se acordă o deosebită atenţie utilizării

surselor regenerabile încurajându-se, prin diverse proiecte, trecerea treptată, cu scopul de a satisface

necesarul energetic, de la utilizarea combustibililor fosili la utilizarea de tehnologii ce folosesc surse

regenerabile nepoluante. În ceea ce priveşte exploatarea energiei geotermice, ca energie regenerabilă

nepoluantă, se poate spune că există un interes deosebit la nivel mondial, fapt evidenţiat de sprijinul

financiar acordat dezvoltării acestei ramuri.

Exploatarea resurselor geotermice se realizează, în primul rând, prin intermediul pompelor de

căldură, în general în scopul producerii de energie termică. Aceste sisteme extrem de complexe sunt

într-o continuă dezvoltare atât în ceea ce priveşte eficienţa lor energetică, cât şi extinderea implementării

lor la nivelul clădirilor.

Pe plan naţional, punerea în practică a unei strategii energetice pentru valorificarea potenţialului

surselor regenerabile de energie (SRE) se înscrie în coordonatele dezvoltării energetice pe termen mediu

şi lung şi oferă cadrul adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare la alternativele energetice.

Obiectivele tezei

Lucrarea, Soluţii de utilizare a surselor regenerabile pentru reducerea consumului de energie

în clădiri, propune studii şi cercetări orientate asupra posibilităţilor de exploatare a resurselor

regenerabile geotermice, în scopul eliminării sau reducerii consumului de energie convenţională în

clădiri. Este abordată, din punct de vedere teoretic şi experimental, problematica valorificării energiei

geotermice, cu ajutorul sistemelor ce au ca element principal pompa de căldură.

Cercetările experimentale s-au efectuat, în cadrul Laboratorului de Instalaţii, pe un stand

complex având ca element principal pompa de căldură.

Modelul informatic a fost realizat pe durata stagiului de cercetare petrecut în Franţa la Institut

National des Sciences Appliquées (INSA) din Lyon în perioada martie-iunie 2010. Plecând de la acest

model validat experimental s-au realizat, în continuare, o serie de cercetări cu privire la influenţa

diverşilor factori asupra consumului de energie al sistemelor de pompă de căldură şi asupra posibilităţii

implementării unor astfel de sisteme în clădiri.

5

Obiectivul tezei se înscrie astfel într-o acţiune de dezvoltare a cercetărilor în scopul găsirii de

soluţii pentru implementarea unui sistem de pompă de căldură într-o clădire.

Structura tezei

Pentru îndeplinirea obiectivelor propuse, lucrarea de doctorat a fost structurată pe cinci capitole,

al căror conţinut este prezentat pe scurt în cele ce urmează.

În capitolul I, Studiu bibliografic, sunt prezentate contextul general al utilizării surselor

geotermice şi programe de cercetare-dezvoltare în domeniu geotermiei, pompa de căldură ca element

principal al sistemului tehnic de exploatare a energiei geotermice şi consideraţii asupra proprietăţilor

termo-fizice ale solului, ca factori de influenţă în funcţionarea acestui sistem.

Capitolul II, Standul experimental, cuprinde structura şi modul de funcţionare al unei

instalaţii complexe ce are ca element principal pompa de căldură (sistem de pompă de căldură). Este

prezentat şi modul de funcţionare al elementele constructive ca module ale sistemului, precum şi

modalităţi de măsurare şi achiziţii de date în cadrul studierii factorilor meteorologici, a temperaturii şi

debitului lichidului din sistem.

În capitolul III, Modelul Informatic, se prezintă principiul şi obiectivul modelării, modelarea

unui sistem de pompă de căldură utilizând sistemul informatic TRNSYS şi validarea modelului cu

analiza erorilor de măsurare şi a rezultatelor obţinute

Capitolul IV, Studii de caz şi rezultate obţinute, este capitolul de bază al lucrării, cu ponderea

cea mai mare în ceea ce priveşte contribuţiile personale în studiile şi cercetările efectuate. Se prezintă o

analiză complexă a rezultatelor obţinute în urma simulărilor realizate pe baza modelului informatic al

sistemului de pompă de căldură. Prin aceste rezultate se face o evaluare a aportului termic şi a

consumului de energie electrică al pompei de căldură pentru o clădire de laborator şi o clădire de birouri

şi, totodată, se studiază influenţa automatizării şi temperaturii interioare asupra aportului termic şi a

consumului de energie electrică al pompei de căldură.

Teza se încheie cu capitolul V, Concluzii, contribuţii şi direcţii de cercetare, în care se

prezintă sintetic concluziile generale rezultate în urma cercetărilor, contribuţiile teoretice şi

experimentale aduse de autor şi unele recomandări privind posibile direcţii de cercetare ce pot fi

dezvoltate.

Consider rezultatele obţinute în prezenta lucrare ca un punct de plecare în dezvoltarea

cercetărilor ulterioare în vederea valorificării pe scară largă a energiei geotermice prin sistemul de

pompă de căldură.

6

CAPITOLUL I. Studiu bibliografic

În acest prim capitol se reliefează importanţa unor aspecte definitorii ale studiului

privind utilizarea surselor regenerabile pentru reducerea consumului de energie în clădiri,

punându-se accent, în special, pe implementarea sistemelor de pompă de căldură.

Contextul general, privind exploatarea surselor regenerabile, şi mai precis exploatarea

resurselor geotermice, este unul favorabil. Se poate observa faptul că atât la nivel mondial

cât şi european, se acordă o deosebită atenţie utilizării surselor regenerabile încurajându-se,

prin diverse proiecte, trecerea treptată, cu scopul de a satisface necesarul energetic, de la

utilizarea combustibililor fosili la utilizarea de tehnologii ce folosesc surse regenerabile

nepoluante. În ceea ce priveşte exploatarea energiei geotermice, se poate spune că există

un interes deosebit la nivel mondial, fapt evidenţiat de sprijinul financiar acordat

dezvoltării acestei ramuri, totuşi există momentan unele impedimente de ordin legislativ.

Exploatarea resurselor geotermice se realizează, în primul rând, prin intermediul

pompelor de căldură, în general în scopul producerii de energie termică. Aceste sisteme

extrem de complexe sunt într-o continuă dezvoltare atât în ceea ce priveşte eficienţa lor

energetică, cât şi extinderea implementării lor la nivelul clădirilor. Pentru realizarea unei

cercetări complexe trebuie realizată o analiză amănunţită a elementelor ce influenţează

eficienţa termică şi implementarea pompelor de căldură.

I.1 Context general

I.1.1 Utilizarea surselor geotermice

Mediul de cercetare şi dezvoltare (C & D) al geotermiei este foarte complex,

deoarece cele mai multe tehnologii sunt utilizate şi în alte sectoare şi, prin urmare, nu se

aduce o contribuţie doar domeniului energiei geotermice. Cu alte cuvinte, cercetările

includ eforturile de îmbunătăţire a extracţiei resurselor de adâncime, de producere a

materialelor utilizabile pentru temperaturi şi presiuni ridicate şi de dezvoltare a pompelor

de căldură geotermice [112]. Mai multe ţări din Uniunea Europeană (UE), printre care

Franţa, Germania, Marea Britanie şi Republica Cehă, se concentrează pe îmbunătăţirea

cercetărilor privind sistemele geotermice (GS). Cercetările îşi propun realizarea unei hărţi

care să conţină zonele optime pentru exploatarea GS, îmbunătăţirea urmăririi evoluţiei

7

termice a forajelor existente şi efectuarea de măsurători în timp real. Spre exemplu, prin

proiectul islandez de foraj (IDDP) se doreşte testarea potenţialul de exploatare al zonelor în

care apa are valori de temperatură şi presiune extreme , la 4-5 km în interiorul scoarţei

terestre [122].

Cercetarea şi dezvoltarea pentru centrale, ce utilizează vapori de apă la presiuni

înalte, se concentrează pe creşterea eficienţei şi îmbunătăţirea rezistenţei la coroziunea

soluţiilor sărate şi a altor substanţe ale sursei geotermice [3]. Unele cercetări se

concentrează pe producţia de siliciu şi a altor minerale ce s-ar putea dovedi utile sistemelor

geotermice [84]. În domeniul pompelor de căldură geotermice, se pune accent pe

dezvoltarea de componente uşor de conectat şi deconectat de la suprafaţă, pe sisteme

avansate de control, pe fluide de lucru naturale şi mai eficiente, precum şi pe îmbunătăţirea

soluţiilor simplu split şi multi-split pentru sistemele de pompă de căldură, pentru zone cu

climat moderat, şi pe creşterea eficienţei componentelor auxiliare, cum ar fi pompele de

circulaţie şi ventilatoarele [13].

Subvenţiile, precum şi alte forme de suport financiar de la Uniunea Europeana sunt

foarte importante pentru dezvoltarea sectorului geotermic de cercetare al UE. Programele

cadru FP6 şi FP7, precum şi Banca Europeană de Investiţii (BEI) au avut un rol esenţial în

urmărirea obiectivelor privind sursele de energie geotermică, în special în finanţarea

cercetării şi dezvoltării GS [17].

Comisia Europeană, Banca Europeană de Investiţii şi statele membre ale UE vor

contribui, de asemenea, la finanţarea unor proiecte, prin aşa-numitele "NER300", realizate

cu respectarea Directivei privind îmbunătăţirea şi extinderea sistemului comunitar de

comercializare a cotelor de emisie de gaze cu efect de seră [24].

De asemenea, este în curs de dezvoltare proiectul Geothermal Finance and

Awareness in European Regions (GEOFAR), care promovează finanţarea de proiecte

geotermice, ca parte a programului Intelligent Energy Europe (IEE) [34]. Consiliul

European al Energiei Geotermice (EGEC) are drept obiectiv, ca sectorul geotermic să

contribuie cu 5% din producţia totală de energie în Europa până în 2030 [36].

I.1.2 Situaţia şi evoluţia geotermiei de joasă temperatură

Programe internaţionale de dezvoltare

Agenţia Internaţională a Energiei (AIE) [109] are ca plan strategic punerea în

aplicare a acordului privind programul de cooperare pentru cercetare în domeniul energiei

8

geotermice şi tehnologiei, cunoscut şi sub numele de Geothermal Implementing Agreement

(GIA). Acest program oferă un cadru important de cooperare internaţională la scară largă

pentru cercetare şi dezvoltare geotermică şi oferă, totodată, o direcţie de dezvoltare în

utilizarea surselor geotermice în decursul unei perioade de cinci ani, 1April 2007 - 31

martie 2012. (Fig.I.1). Activităţile sale acoperă în prezent patru domenii diferite de

cercetare:

o impactul asupra mediului a dezvoltării geotermice;

o sisteme importante geotermice;

o tehnologie avansată de forare geotermică;

o utilizarea directă a energiei geotermice.

Fig.I.1 Estimarea puterii geotermice instalate până în 2020 [109]

Consiliul European al Energiei Geotermice (EGEC) [106], fondat în 1998, este o

organizaţie internaţională non-profit, cu sediul la Bruxelles, care se bazează în totalitate pe

instituţiile europene din domeniul de utilizare a energiei regenerabile. Este un membru al

Asociaţiei Internaţionale Geotermala (IGA) [108] şi al Consiliului European pentru Energii

Regenerabile (EREC), care reuneşte întreaga industrie europeană a energiei regenerabile şi

a cercetărilor aferente. EGEC are în derulare o serie de proiecte dintre care mai importante sunt:

9

o HERMOMAP – Cartografierea resurselor geotermice superficiale ale solului şi

înregistrarea datelor apelor subterane (01/09/2010-31/08/2013)

o GEOTRAINET – Pregătirea de proiectanţi şi instalatori GSHP (ground

source heat pump) (01/09/2008-28/02/2011)

o GROUNDMED – SPF-GSHP ridicat pentru ţările mediteraneene (01/01/2009-

31/12/2013)

o QUALICERT – Certificare de instalatori GSHP (01/07/2009-

31/12/2011)

Cu toate avantajele pe care le prezintă energia geotermală, utilizarea ei pe sacră

largă este limitată de mai mulţi factori de natură tehnico-economică.

Principalul obstacol, în exploatarea energiei geotermale, este costul ridicat de foraj

[49]. Centralele geotermale de energie electrică sunt, în mod tradiţional, construite pe

marginile plăcilor tectonice acolo unde resursele geotermale de temperatură înaltă sunt

disponibile mai aproape de suprafaţă [63]. Cele mai multe tehnologii geotermice necesită

utilizarea apei subterane, care nu poate fi găsită peste tot. Parţial pentru aceste motive, rata

de succes în explorarea forajelor poate fi destul de scăzută, până la 20% şi nu mai mare de

60% [53].

Alte două impedimente importante ar fi sistemul de licenţiere complex şi lipsa unei

legislaţii coerente, în special cea referitoare la dreptul de proprietate a resurselor.

Stimulentele financiare, cadrul juridic şi metodele de sprijin, în diferite state

membre ale UE, sunt inconsistente şi, în unele cazuri, inadecvate. Această lipsă de claritate

a legislaţiei duce la întârzierea obţinerii autorizaţiilor necesare şi la incertitudini ale

investitori cu privire la dreptul de a deţine şi de a folosi energia geotermică [68]. Alte

obstacole potenţiale includ opoziţia publică, în anumite regiuni, ca urmare a impactului

negativ asupra simţurilor vizual şi olfactiv. Lipsa cunoştinţelor în acest sector împiedică

dezvoltarea acestuia şi duc la creşterea riscului financiar. În cele din urmă, dar nu lipsit de

importanta, trebuie subliniată existenţă unui deficit de lucrători calificaţi, necesari în

realizarea proiectelor din domeniu [69].

Politica dezvoltării domeniului geotermic trebuie să abordeze măsuri juridice şi

financiare specifice în sectorul surselor geotermice, cum ar fi finanţarea asigurărilor

riscurilor şi crearea stimulentelor financiare suplimentare [90]. Sunt necesare definiţii

10

clare pentru drepturile de proprietate, precum şi o reglementare a condiţiilor de mediu, în

timp ce cadrul juridic şi al normele privind proprietatea şi exploatarea energiei geotermale

trebuie clarificate [91]. În plus, procedurile de autorizare ar trebui să fie armonizate şi

diferitele mecanisme de sprijin financiar în state membre să devină tot mai coerente [65].

Posibilitatea utilizării pe scară tot mai largă a energiei geotermice va necesita

campanii de educare şi sensibilizare în rândul populaţiei, precum şi o creştere accentuată a

cercetării şi dezvoltării geotermiei (C & D), având scopul de a minimiza impactul asupra

mediului exercitat de exploatarea surselor geotermice [67]. Este, de asemenea, nevoie de

cercetări viitoare privind concepte emergente, cum ar fi sistemele geotermale îmbunătăţite,

sisteme hibride şi utilizări în cascadă [79]. Colaborările internaţionale, bazate pe cercetarea

şi centralizarea cunoştinţelor existente şi a datelor în sectoarele energiei geotermice şi

conexe, în cadrul şi în afara UE, vor fi extrem de importante pentru dezvoltarea sectorului

geotermic. Asigurarea de personal calificat, pentru acest sector necesită, de asemenea, o

formare profesională şi certificare adecvată [93].

I.1.3 Valori cheie ale utilizării pompelor de căldură

Pe plan mondial, începând din anul 2005, 72 de ţări utilizează surse de energie

geotermică pentru aplicaţii diverse, din care amintim: încălzirea spaţiilor interioare, „case

verzi”, piscicultură, agricultură, utilizări industriale, agrement, topirea zăpezii etc. [85].

Capacitatea totală instalată a fost de aproximativ 28270 MWt, iar consumul de energie

termică de 273372 TJ/an sau 75,940 GWh/an. În 2005, peste 50% din utilizarea totală a

surselor geotermice s-a realizat prin intermediul pompelor de căldură geotermice [95].

Capacitatea instalată s-a dublat aproape la fiecare 5 ani începând din 1995 iar consumul de

energie a crescut cu un factor de aproape 2,5. Utilizarea surselor geotermice în 2005 a fost

echivalentă cu o economie anuală de aproximativ 25.4 Mt combustibil fosil şi cu o

reducere a emisiilor de CO2 de aproximativ 24 Mt [70].

În Europa, prin punerea în aplicare a Directivei Renewable Energy Strategy (RES),

în statele membre UE, se acordă o atenţie specială contribuţiei pompelor de căldură pentru

utilizarea surselor regenerabile de energie (Tab.I.1). Impactul semnificativ pe care îl au

deja pompele de căldură asupra producţiei de energie este adesea subestimat [8]. Pe baza

statisticilor European Heat Pump Association (EHPA), un total de 2.129.929 unităţi de

pompe de căldură au fost puse în funcţiune doar în perioada 2005-2009 în UE [111]. La

consumul total de energie în sectorul de încălzire, pompele de căldură contribuie anual cu

un total de 25,96 TWh (Fig.I.2). Cu cât aria de utilizare a pompelor de căldură este mai

11

largă, cu atât economia de energie realizată va fi mai ridicată. Reducerea totală estimată de

emisii de gaze cu efect de seră în perioada 2005-2009 este de 6,03 Mt [71].

Ţară Oraş / Proiect Nr.

BHE

Adâncime

BHE (m)

Lungime totală

BHE (m)

NO Lorenskog / Nye Ahus Hospital 350 200 70.000

NO Oslo / Offices, Flats Nydalen 180 200 36.000

SE Lund / IKDC, Chimical Institute 153 230 35.190

SP Mollet de Valles / Hospital 138 145 20.000

TR Istambul / Umraniye Mall 208 41 - 150 18.327

HU Torokbalint / Office Pannon GSM 180 100 18.000

DE Golm near Potsdam / Max-Plank-

Inst. 160 100 16.000

SE Stockholm / Blackeberg Quaters 90 150 13.500

NO Oslo / Office park Alnafossen 64 200 12.800

SE Orebro / Music Highschool 60 200 12.000

HU Paty / Verdung Logistics Center 120 100 12.000

BE Melle / Office EANDIS 90 125 11.250

DE Langen / Head Office DFS 154 70 10.780

CH Zurich / Grand Hotel Dolder 70 150 10.500

PL Rudy / former Cistercian

Monastry 10 100 10.000

Tab.I.1 Cele mai importante sisteme de pompe de căldură geotermice din Europa [71]

Fig.I.2 Reduceri totale estimate de emisii de gaze cu efect de seră în perioada 2005-2009 [71]

12

În România din cauza problemelor economice ale ţării, doar două noi proiecte

geotermale au fost finalizate în cursul ultimilor cinci ani: unul pentru utilizarea directă a

surselor geotermale şi al doilea pentru realizarea unui complex de agrement ce utilizează

surse geotermice [82]. Cele mai multe lucrări geotermale finalizate înainte de 1999 sunt

încă în funcţiune, cu unele excepţii. Din cele 96 de foraje în funcţiune, aflate în 38 de

locaţii, 37 sunt folosite exclusiv pentru sănătate şi agrement [20].

Mai multe sisteme de termoficare, aflate la Beiuş şi Râmnicu Vâlcea, împreună cu

un spital de la Baloteşti sunt luate în considerare pentru alimentarea în viitor cu energie

termică prin intermediul surselor geotermice [35].

Totalul de energie geotermică, de 145.1 MW şi 2841 TJ / an, este repartizat astfel [6]:

o încălzire urbană (57,2 MWt şi 1,129.0 TJ / an);

o încălzirea serelor (28,3 MWt şi 486.0 TJ / an);

o energie termică utilizată în industrie (14,1 MWt şi 246.0 TJ / an);

o agrement (42,4 MWt şi 915.0 TJ / an).

I.2 Pompa de căldură geotermică

Pompa de căldură reprezintă un dispozitiv prin intermediul căruia se realizează un

transfer de căldură de la o sursă rece la o sursă caldă cu ajutorul unui sistem de

comprimare (Fig.I.3).

Fig.I.3 Principiul de funcţionare al pompei de căldură [30]

Istoric

Teoria, care a stat la baza modului în care o pompă de căldură funcţionează este

principiul al doilea al termodinamicii, formulat de W. Thomson (lord Kelvin), în anul

1852. care se referă la condiţiile în care are loc transformarea energiei termice în energie

mecanică. Acest principiu, arată sensul în care se produc spontan transformările, fără să se

13

facă referire la cantităţile de energie schimbate şi este o particularizare a principiului

general al schimburilor de energie, conform căruia transformările spontane de energie se

realizează de la potenţialul mai înalt spre potenţialul mai scăzut [10].

Conform formulării lui W. Thomson - este imposibilă construirea unui perpetuum

mobile de speţa a doua, adică a unei maşini termice care ar transforma periodic, fără

compensaţie, căldura unui corp oarecare în lucru mecanic. Cu alte cuvinte, este imposibil

ca o maşină termică să funcţioneze numai cu o singură sursă termică. Din principiul al

doilea al termodinamicii rezultă că dacă lucrul mecanic se poate transforma integral în

căldură, invers nu este posibil [9].

Prima pompă de căldură propriu-zisă a fost construită de inventatorul american

Robert C. Webber, la sfârşitul anilor ’40, prin conectarea conductele de evacuare de la un

congelator la un încălzitor de apă caldă. În timp ce congelatorul producea energie termică

în exces, a cuplat o buclă de conducte cu apă încălzită şi, folosind un ventilator, a reuşit să

transfere către rezervorul de stocare, prin convecţie forţată, o cantitate de căldură. El a

continuat să experimenteze cu succes recuperând căldura din sol prin utilizarea un colector

de căldură cu temperatură redusă [101].

Tot în anii ’40 pompa de căldură a fost recunoscută pentru eficienţa sa destul de

bună, însa abia în anii ’70 aceasta a atins o eficienţă importantă. Marea criză a petrolului a

tras un semnal de alarmă şi a trezit interesul de conservare a energiei, în ciuda preţurilor

destul de scăzute ale energiei din acea perioadă.

Dr. James Bose, profesor la Universitatea de Stat din Oklahoma, a folosit ideea de

pompă de căldură pentru a ajuta un întreprinzător local să încălzească apa folosită în piscină

răcind interiorul clădirii. Acesta a fost începutul noii ere în sistemele geotermale. Dr. Bose a

revenit la Universitatea de Stat din Oklahoma şi a început să dezvolte această idee. De atunci,

Oklahoma a devenit un important centru de cercetare a pompelor de căldură geotermice [102].

I.2.1 Clasificarea pompelor de căldură

1) După modul de realizare a ciclului de funcţionare şi forma de energie de antrenare

utilizată [38] :

a. Pompe de căldură (PAC) cu comprimare mecanică de vapori sau gaze,

prevăzute cu compresoare cu piston, turbocompresoare etc.

În cazul acestui tip de pompe de căldură este posibilă atingerea unor temperaturi

ridicate cu ajutorul sistemelor în mai multe trepte, dar acestea sunt complexe şi necesită

14

investiţii mari. Soluţia ar fi găsirea unor fluide capabile să condenseze, la temperaturi de

peste 120 oC, rezultând amestecuri non-izotrope.

O variantă interesantă a pompelor de căldură cu comprimare mecanică o reprezintă

pompele de căldură cu recomprimarea vaporilor. Acestea sunt interesante datorită valorilor

ridicate ale coeficientului de performanţă (COP) şi a investiţiilor reduse, motiv pentru care

sunt utilizate astăzi în industrie. Limita temperaturii de vaporizare este în jurul a 80-100 oC, din cauza faptului că volumul specific al vaporilor devine prea mare.

b. Pompe de căldură cu comprimare cinetică, prevăzute cu compresoare cu jet şi

care utilizează energia cinetică a unui jet de abur. Din cauza randamentului foarte scăzut al

ejectoarelor şi al consumului ridicat de abur de antrenare, sunt foarte puţin utilizate.

c. Pompe de căldură cu comprimare termocinetică sau absorbţie care consumă

energie termică, electrică sau solară.

Pentru motive practice, în cazul PAC cu absorbţie de tipul I, temperatura sursei

către care se cedează căldura are valoarea maximă de 100 oC, ceea ce limitează utilizarea

lor în aplicaţiile de temperatură ridicată. PAC cu absorbţie de tipul II (transformatoare de

căldură) pot atinge temperaturi ridicate, de până la 150 oC, dar realizează diferenţe mici de

temperatură (aprox 40 oC). În acest caz apar aceleaşi probleme ca în cazul PAC cu

recomprimare de vapori. O altă restricţie este aceea că fluxul de căldură provenit de la

sursa de căldură motoare trebuie să fie mai mare decât fluxul de căldură cedat sursei

calde. Avantajele acestui tip de pompă constau în utilizarea căldurii recuperabile la un

preţ scăzut şi nu are părţi constructive în mişcare.

d. Pompe de căldură cu compresie-resorbţie se află în stadiu experimental, dar

sunt deosebit de promiţătoare, deoarece combină avantajele sistemelor cu compresie cu

cele ale sistemelor cu absorbţie. Aceste pompe de căldură sunt capabile să atingă

temperaturi ridicate (aproximativ 180 oC), simultan cu diferenţe ridicate de temperatură şi

valori ridicate ale COP-ului. Ca agenţi termici de lucru, sunt utilizate soluţiile binare.

e. Pompe de căldură termoelectrice sunt bazate pe efectul Peltier şi consumă

energie electrică.

2) După natura surselor de căldură cu care lucrează pompa de căldură [38] :

a. Gaz – aerul atmosferic, aerul cald rezultat dintr-un proces tehnologic, trebuie

acordată o atenţie deosebită limitelor de temperatură, precum şi naturii agentului termic din

procesul pentru care este nevoie de încălzire – max 40-50 oC;

15

b. Lichid – apa din mediu înconjurător (râuri, lacuri, apă subterană), apa caldă din

procesele tehnologice, apa caldă menajeră;

c. Energia solară – apa caldă încălzită solar;

d. Pământul – ca gradient geotermic, cu elemente de protecţie (dilatarea pământului

la îngheţ).

3) După domeniile de utilizare [38] :

a. Pompe de căldură utilizate pentru încălzirea şi condiţionarea aerului în clădiri.

Aceste pompe utilizează, ca sursă de căldură, aerul atmosferic fiind recomandat pentru

regiunile cu climat temperat.

b. Pompe de căldură folosite ca instalaţii frigorifice şi pentru alimentarea cu

căldură. Aceste pompe sunt utilizate succesiv pentru răcire pe timpul verii şi pentru

încălzire pe timpul iernii.

c. Pompe de căldură folosite ca termocompresoare sunt utilizate în domeniul

instalaţiilor de distilare, rectificare, congelare etc.

d. Pompe de căldură utilizate în industria alimentară ca termocompresoare,

precum şi în scopuri de condiţionare a aerului sau tratare a acestuia, în cazul

întreprinderilor de produse zaharoase, respectiv depozitelor frigorifice de carne.

e. Pompe de căldură, destinate industriei energetice, sunt folosite pentru încălzirea

camerelor de comandă, sursa de căldură fiind apa de răcire a condensatoarelor sau căldura

evacuată de la generatoarele şi transformatoarele electrice.

f. Pompe de căldură utilizate pentru recuperarea căldurii din resursele energetice

secundare. Se remarcă valorificarea prin intermediul PAC a căldurii evacuate prin

condensatoarele instalaţiilor frigorifice sau a energiei apelor geotermale.

g. Pompe de căldură, folosite în industria de prelucrare a laptelui, sunt utilizate

simultan pentru răcirea laptelui şi prepararea apei calde.

I.2.2 Agenţi frigorifici

Agenţii termici de lucru ai instalaţiilor de pompe de căldură trebuie să

îndeplinească o serie de cerinţe termodinamice, fizico-chimice, fiziologice şi chimice.

Temperatura de vaporizare trebuie să fie cât mai coborâtă, presiunea de saturaţie

corespunzătoare păstrându-se peste cea atmosferică pentru a evita apariţia vacuumului în

16

instalaţie, ceea ce conduce la scăderea transferului de căldură şi la creşterea de energie

consumată [2].

R-22, creat şi propus pe piaţă ca agent de temperaturi joase, a început să fie utilizat ca

agent frigorific în domeniul frigului comercial, industrial şi de uz casnic. Începând cu anul

1960, R-22 se întrebuinţează în domeniul instalaţiilor frigorifice de tip nou şi al instalaţiilor

frigorifice utilizate în industria auto [5].

Caracteristici:

o Compoziţia chimică: CHF2Cl

o Greutatea moleculară: 86.5 g/mol

o Temperatura de fierbere (la 1.013 bari): -40.08°С

o Densitatea (la 25°С): 1193.70 kg/m3

o Temperatura critică: 96.0°С

o Presiunea critică: 49.77 atm

o Potenţialul de distrugere a stratului de ozon (ODP): 0.055

o Potenţialul de încălzire globală GWP100: 1700

R-134a este o hidrofluorcarbură (1.1.1.2 - tetrafluoretan), cu proprietăţi similare agentului

frigorific R-12 şi se recomandă a fi utilizat în sistemele de condiţionare a aerului, în

instalaţiile de răcire a apei, precum şi a sistemelor frigorifice ce dispun de temperaturi

medii de evaporare. De asemenea, mai poate fi utilizat în compresoarele ermetice şi

semiermetice, compresoarelor rotative şi la centralelor frigorifice [19].

Se utilizează ca substituent pentru R-502 şi R-22, nefiind miscibil cu uleiurile

minerale.

Caracteristici:

o Compoziţia chimică: CF3H2F4

o Masa moleculară: 102 g/mol

o Temperatura de fierbere: (la 1.013 bari): -26.1°С

o Densitatea (la 25°С): 1.206 kg/m3

o Temperatura critică : 101°С

o Presiunea critică: 40.7 atm

o Potenţialul de distrugere a stratului de ozon (ODP):0

o Potenţialul de încălzire globală GWP100: 1300

17

R-410 reprezintă un amestec de R-32 şi R-125. Ca omenii de aplicare se utilizează în

sistemele de aer condiţionat, răcitoarele de apă, utilaj frigorific comercial [7].

Caracteristici:

o Masa moleculară: 72,6 g/mol

o Temperatura de fierbere: (la 1.013 bari): -52.7°С

o Densitatea (la 25°С): 1.048 kg/m3

o Temperatura critică : 72.5°С

o Presiunea critică: 49.5 atm

o Potenţialul de distrugere a stratului de ozon (ODP):0

o Potenţialul de încălzire globală GWP100: 1730

I.2.3 Coeficientul de performanţă (COP)

Coeficientul de performanţă COP (sau ε) reprezintă raportul dintre cantitatea de

căldură cedată şi echivalentul termic al puterii electrice consumate. [78]

1) Coeficientul de performanţă al surselor [39]

12

2

TTT

COPths −=

T1 – temperatura sursei reci;

T2 – temperatura sursei calde.

Caracteristici :

o Control pentru coeficientul de performanţă real al compresorului

o Rol practic scăzut

o Reprezintă o valoare teoretică

Condiţii :

o Sursa caldă şi sursa rece sunt considerate inepuizabile şi temperatura lor nu

variază (surse de căldură termodinamice);

o Suprafaţa de schimb de căldură şi debitul de fluid circulat sunt considerate

infinite.

2) Coeficientul de performanţă al ciclului [42]

evC

Cthc TT

TCOP

−=

18

TC – temperatura de condensare;

Tev – temperatura de vaporizare.

Tev < T1 ; TC > T2.

Caracteristici :

o Valoare teoretică, inferioară coeficientului de performanţă al sursei;

o Rol practic scăzut (control).

Condiţii :

o Ireversibilitate termică la nivelul condensatorului şi vaporizatorului.

3) Coeficientul de performanţă al grupului moto-compresor [43]

CC P

QCOP 2=

Q2 – puterea calorifică instantanee produsă la condensator [W];

PC – puterea electrică consumată de compresor [W].

Caracteristici :

o Valoare reală;

o Obţinut prin încercări termodinamice (ţine cont de imperfecţiunile

termodinamice de la nivelul vaporizatorului şi condensatorului şi de pierderile

mecanice şi electrice la nivelul compresorului);

o Variabil în funcţie de temperatura surselor.

Condiţii :

o Trebuie cunoscută valoarea temperaturii minime exterioare.

4) Coeficientul de performanţă al pompei de căldură [72]

hmedauxhCmed

hmedPAC PP

QCOP

...

.2

+=

Q2 med.h – puterea calorifică medie orară a condensatorului [W];

PC med.h – puterea medie orară absorbită de compresor [W];

Paux ned.h – puterea medie orară absorbită de elementele auxiliare nepermanente [W].

Caracteristici :

o Este cel mai utilizat coeficient de performanţă, deoarece prezintă performanţele

reale ale pompei de căldură;

19

o Este dat de producător sub o formă cât mai generală;

o Elementele auxiliare permanente nu sunt luate în calcul.

5) Coeficientul de performanţă al instalaţiei [72]

hmedauxhCmed

utilahmedi PP

QCOP

...

..2

+=

Q2 med.h utilă – puterea calorifică medie orară utilă a condensatorului [W];

PC med.h – puterea medie orară absorbită de compresor [W];

Paux ned.h – puterea medie orară absorbită de elementele auxiliare nepermanente [W].

Caracteristici :

o Obţinut plecând de la COPPAC;

o Oferă, în funcţie de o serie de temperaturi exterioare, informaţii privind

eficienţa utilizării pompei de căldură.

o Permite efectuarea bilanţului de consum ce caracterizează întreaga instalaţie.

6) Coeficientul de performanţă mediu anual al compresorului [45]

∑∑=

i

CiaC n

COPnCOP

ni – numărul de zile cumulat la temperatura exterioară ti.

Caracteristici :

o Nu ia în calcul elementele auxiliare;

o Se poate utiliza pentru determinarea bilanţului de consum, dar se evită pe cât

posibil, întrucât se poate subevalua economia de energie cu până la 50%.

7) Coeficientul de performanţă mediu anual al pompei de căldură [46]

∑∑=

ii

PACiiaPAC nf

COPnfCOP

fi – perioada de funcţionare în timpul unei zile.

Caracteristici :

o Nu ia în calcul elementele auxiliare;

o Se poate utiliza pentru determinarea bilanţului de consum, dar se evita pe cât

posibil, întrucât se poate subevalua economia de energie cu până la 50%.

20

8) Coeficientul de performanţă sezonier sau global anual al instalaţiei [50]

)()(

calduradepompaincalzirepentruglobalanualconsumdirectelectricincalzirepentruanualconsum

COPai =

Caracteristici:

o Permite aprecierea de o manieră exactă a economiei de energie realizată prin

utilizarea unei pompe de căldură.

I.2.4 Sisteme de pompe de căldură

Pompele de căldură pot fi exploatate în sistem monovalent sau bivalent.

Un sistem de încălzire monovalent dispune de o pompă de căldură care este

capabilă să acopere singură necesarul pentru încălzire şi/sau răcire. Condiţia fundamentală

este ca temperatura pe tur, pentru sistemul de distribuţie conectat la pompa de căldură, să

fie mai mică decât temperatura maximă pe care o poate atinge pompa de căldură. Un grad

ridicat de performanţă se poate atinge în cazul în care temperatura maximă pe turul

sistemului de distribuţie atinge o valoare de circa 35oC [52].

Un sistem de încălzire bivalent dispune de cel puţin două surse pentru producerea

căldurii: una dintre aceste surse este o pompă de căldură, iar cealaltă sursă este

reprezentată de cel puţin o sursă de căldură acţionată cu ajutorul unui combustibil

convenţional. Pompa de căldură, dintr-un sistem bivalent, este dimensionată la 20-60 % din

sarcina termică maximă şi poate acoperii 50-95 % din necesarul anual pentru încălzire [55].

Un sistem bivalent de încălzire poate fi exploatat în trei moduri :

o Funcţionare alternativă – în momentul depăşirii unei anumite puteri pentru

încălzire, pompa de căldură este deconectată şi sarcina încălzirii este preluată în totalitate

de către cealaltă sursă de căldură. Acest mod de funcţionare este indicat şi pentru sistemele

de distribuţie a căldurii, care sunt realizate pentru temperaturi maxime pe tur mai mari de

60oC, în condiţiile unor temperaturi exterioare scăzute.

o Funcţionarea parţial-paralelă – în momentul depăşirii unei anumite puteri

pentru încălzire, pompa de căldură rămâne în funcţiune, necesarul total de căldură fiind

acoperit de cealaltă sursă. Ambele surse de căldură lucrează periodic în paralel. Pompa de

căldură rămâne însă în funcţiune numai până când sunt atinse limitele sale de utilizare.

Astfel, funcţionarea periodică în paralel a ambelor surse de căldură permite o utilizare

ridicată a pompei de căldură şi deci o contribuţie mai mare a acesteia la

21

o Funcţionarea paralelă – în momentul depăşirii unei anumite puteri pentru

încălzire, pompa de căldură este ajutată de către cealaltă sursă de căldură, ambele surse de

căldură funcţionând în paralel tot timpul. Pompa de căldură este în funcţiune chiar şi în cea

mai rece zi din iarnă. Acest mod de exploatare nu determină o creştere substanţială a

ponderii pompei de căldură în comparaţie cu funcţionarea parţial-paralelă şi poate fi

utilizată numai în legătură cu un sistem de încălzire de temperatură joasă [54].

Sistemele de pompe de căldură geotermice (GSHP) sunt formate din trei

componente principale: schimbătoare de căldură îngropate (verticale sau orizontale),

pompa de căldură propriu-zisă şi clădire (consumator) [99]. Un design bun trebuie să ţină

cont de întregul sistem, îmbinarea componentelor trebuie făcută astfel încât să se obţină

cea mai bună eficienţă a pompei de căldură şi cel mai înalt confort termic la nivelul întregii

clădiri (Fig.I.4).

Fig.I.4 Numărul de sisteme de pompe geotermice (GSHP) instalate raportat la suprafaţa

şi la numărul de locuitori pentru cele mai importante ţări europene [109]

Sistemele de pompe de căldură geotermice sunt foarte flexibile şi pot fi adaptate la

aproape orice condiţii subterane. De obicei, schimbătoarele de căldură îngropate sunt

cuplate cu o pompă de căldură pentru obţinerea temperaturilor interioare necesare.

Schimbătoarele de căldură îngropate pot fi clasificate, în general, ca sisteme deschise sau

închise.

22

Sisteme deschise

Acest tip de schimbătoare de căldură îngropate se caracterizează prin faptul că

agentul termic principal, apa freatică, curge liber în subteran şi acţionează ca o sursă de

căldură şi ca un schimbător de căldură cu solul (Fig.I.5). Principala componentă a

sistemelor deschise este reprezentată de puţurile de apă subterană ce au ca rol extragerea

sau injectarea apei de la şi către straturile de apă subterană ("acvifere"). În cele mai multe

cazuri, două puţuri sunt suficiente, unul pentru extragerea apei subterane şi unul pentru

injectarea apei înapoi în acvifer [22].

Prin intermediul sistemelor deschise putem exploata o sursă de căldură importantă

la un cost relativ scăzut. Pe de altă parte, puţurile de apă subterană necesită întreţinere, iar

sistemele deschise sunt în general limitate de utilizarea unor anumite acvifere. Aceste

straturi acvifere trebuie să aibă:

o permeabilitate suficientă pentru

a putea utiliza o cantitatea de apă

subterană suficientă la un consum cât

mai redus.

o compoziţie chimică optimă a

apelor subterane, de exemplu, conţinut

scăzut de fier, pentru a evita problemele

datorate coroziunii.

Datorită acestor considerente, sistemele

deschise sunt utilizate cu precădere

pentru instalaţii mari (industriale). [31]

Fig.I.5 GSHP deschise [112]

Sisteme închise

Sisteme orizontale închise

Sistemele închise, cel mai uşor de instalat, sunt cele cu schimbătore de căldură

îngropate orizontal (Fig.I.6). Datorită restricţiilor date de suprafaţa disponibilă redusă, în

Europa de Vest şi Europa Centrală, conductele individuale au o densitate relativ ridicată,

fiind conectate în serie sau în paralel [64]. Pentru instalarea unor astfel de colectoare de

căldură cu o densitate ridicată trebuie avut în vedere că:

o întregul volum de pământ, unde vor fi amplasate schimbătoarele de căldură, este

excavat;

23

o se instalează schimbătoarele de căldură orizontal cuplate în serie sau paralel;

o pământul excavat este utilizat pentru acoperirea schimbătoarelor de căldură.

Modalitatea principală de

regenerare a sursei geotermice,

pentru toate sistemele cu

schimbătore de căldură îngropate

orizontal, se face prin intermediul

radiaţiei solare. Din acest motiv

suprafaţa de deasupra colectorului

orizontal, utilizat pentru captarea

căldurii solului, nu trebuie

acoperită [40].

Fig.I.6 GSHP închise orizontale [112]

Sisteme verticale închise

Într-un schimbător de căldură subteran vertical (Fig.I.7), ţevile din plastic

(polietilenă sau polipropilenă) sunt introduse în puţuri forate, iar spaţiul ce rămâne în

interiorul forajului, după introducerea schimbătoarelor de căldură (ţevi de plastic), este

umplut cu un amalgam care poate fi introdus prin pompare. În Suedia, pentru cazul

forajelor în rocă dură, se renunţă la utilizarea amalgamului pentru umplerea forajelor,

schimbul de căldură între conducte şi rocă realizându-se prin intermediul apelor subterane.

În cazul în care sunt necesare mai multe foraje, conductele trebuie să fie conectate în aşa

fel încât să existe o distribuţie egală a debitului în conducte. Aceste conducte pot fi cuplate

la un colector în interiorul sau exteriorul clădirii [48].

Până în prezent, au fost utilizate cu precădere, două tipuri de schimbătoare de

căldură subterane verticale:

o schimbătorul de căldură subteran vertical în forma de ”U”, format dintr-o conductă

de material plastic în formă de ”U”. Într-un foraj pot fi instalate una, două sau chiar trei

astfel de schimbătoare (Fig.I.8). Avantajul utilizării conductei în forma de ”U” este costul

redus al materialului conductei. Forajele, cel mai frecvent utilizate în Europa, sunt cele cu

două conducte în formă de ”U”.

o schimbătorul de căldură subteran vertical coaxial (concentric) (Fig.I.8), format din

două conducte concentrice de diametre diferite [23].

24

Fig.I.7 GSHP închise verticale [112]

Fig.I.8 Tipuri de schimbătoare de

căldură geotermice verticale [112]

Regenerarea sursei geotermice, pentru cazul schimbătoarelor de căldură subterane

verticale, se realizează prin intermediul radiaţiei solare (în partea superioară) şi prin

intermediul fluxului de căldură geotermic (în partea inferioară). În anumite cazuri, se poate

vorbi şi de influenţa asupra regenerării sursei geotermice a apelor subterane. Cu toate

acestea, influenţa apelor subterane, în majoritatea cazurilor, nu este foarte mare, iar

conductivitatea termică a solului reprezintă parametrul principal în regenerarea geotermică

a solului [37].

Amalgamul utilizat, pentru umplerea forajelor, şi pereţii schimbătorului de căldură

au o foarte mare importanţă, deoarece constituie o rezistenţă termică în schimbul de

căldură ce se realizează între agentul termic, care circulă prin conductele din interiorul

forajului, şi sol. Valorile pentru acest parametru sunt, de obicei, de ordinul a 0,1 K / (W /

m). Pentru o extracţie de căldură de 40 W / m, aceasta înseamnă o pierdere de temperatură

de 4 K în interiorul forajului. Astfel, materialele din care sunt realizate conductele şi

amalgamul utilizat la umplerea forajului au fost dezvoltate pentru a reduce aceste pierderi.

Un caz special de sisteme verticale închise este reprezentat de "pilonii de energie",

adică în pilonii de fundaţie au fost integrate conducte din material plastic cu rol de

schimbător de căldură (Fig.I.9). Poate fi realizată o varietate foarte mare de tipuri şi

diametre de piloni care pot varia de la 40 cm pană la 1 m grosime [47].

25

Fig.I.9 Schimbătoare de căldură geotermice integrate în piloni de funcţie [112]

I.2.5 Domenii de utilizare şi tehnologii

Pompele de căldură, pentru încălzirea şi răcirea clădirilor, pot fi împărţite în patru

mari categorii, în raport cu funcţionarea lor :

o Pompe de căldură numai pentru încălzire, realizează numai încălzirea spaţiilor

şi/ sau a apei menajere [80].

o Pompe de căldură pentru încălzire şi răcire, realizează atât încălzirea, cât şi răcirea

spatiilor [83].

o Sisteme integrate de pompe de căldură, realizează încălzirea şi răcirea spaţiilor,

încălzirea apei menajere şi uneori recuperarea căldurii din aerul evacuat. Încălzirea apei

menajere se poate face numai prin desupraîncălzirea vaporilor sau prin desupraîncălzirea

vaporilor şi condensarea vaporilor. Cea de-a doua variantă permite producerea apei calde

menajere atunci când nu mai este necesară încălzirea sau răcirea spaţiilor [81].

o Pompe de căldură pentru încălzirea apei menajere – destinate în totalitate pregătirii

apei calde menajere. Acestea pot fi de tipul aer-apa sau apa-apa şi utilizează, ca sursă de

căldură, aerul ambient, aerul evacuat de către instalaţia de climatizare, căldura de

supraîncălzire [66].

I.3 Proprietăţi termice ale solului

Energia radiantă, transmisă de către Soare, este absorbită şi transformată în energie

calorică de suprafaţa terestră, determinând încălzirea suprafeţelor de uscat, adică a

solurilor, a suprafeţelor de apă şi a aerului din stratul inferior al atmosferei – troposfera

[115]. O parte din căldura acumulată se propagă spre straturile mai adânci ale solului şi

apei, dar şi spre aerul troposferic, iar altă parte se consumă în diferite procese fizice,

26

chimice şi biologice care se produc la suprafaţa terestră [105]. Deci, scoarţa terestră are

proprietatea de a transforma energia radiativă în energie calorică şi de a distribui energia

calorică.

Încălzirea suprafeţei terestre se realizează prin absorbţia şi transformarea energiei

radiante ajunsă la suprafaţa solului în energie calorică. De la suprafaţa solului căldura este

transmisă în trei direcţii principale, sol, apă şi aer, conform legilor de propagare a căldurii,

în funcţie de particularităţile mediilor respective (Fig.I.10).

Fig.I.10 Schimbul de căldură la suprafaţa solului (a. ziua, b. noaptea)[28]

Cunoaşterea temperaturii şi a regimului termic al solului are o deosebită importanţă

practică în diverse domenii. Suprafaţa solului este sursa principală de încălzire a aerului în

timpul zilei, care generează procesele convective, ce pot determina vara fenomenul de

cumulizare şi aversele de ploaie, dar şi de răcire noaptea, cu posibilitatea de apariţie a

îngheţurilor radiative[107].

I.3.1 Factorii care influenţează temperatura solului

Temperatura solului depinde de numeroşi factori, dintre care, cei mai importanţi

sunt: radiaţia solară (în funcţie de data calendaristică, ora, ziua, latitudinea şi modul de

expunere a suprafeţei active), proprietăţile termofizice ale solului şi caracteristicile

morfologice ale solului (tipul, culoarea, structura şi textura).

27

Radiaţia solară

Factorul principal al încălzirii solului este radiaţia solară, deoarece cantitatea de

căldură, care ajunge din interiorul scoarţei terestre prin termoconductivitate, ca şi cea

rezultată din procesele chimice şi biologice au o importanţă destul de mică [100]. Fluxul

radiativ, care ajunge la Pământ, este mult diminuat de existenţa în atmosferă a vaporilor de

apă şi a particulelor de praf. Vaporii de apă absorb mari cantităţi de căldură, iar o

atmosferă umedă şi un grad ridicat de nebulozitate devin un ecran în calea radiaţiilor solare

[110]. Data calendaristică, ora, ziua, coordonatele geografice ale unui anumit loc şi felul

expunerii suprafeţei active determină cuantumul de căldură şi distribuţia acesteia la

suprafaţa şi în interiorul solului. Astfel, cercetătorii americani, măsurând temperatura

solului într-o staţiune din Arizona, în lunile mai şi iunie la adâncimea de 8 cm, pe versanţii

nordic şi sudic al unui deal cu o pantă de 18°, au constatat diferenţe de 5°-7°C în plus ale

mediei maximelor pe versantul sudic, comparativ cu cel nordic [11]. Diferenţele de

expunere au o mare importanţă datorită faptului că temperatura solului este întotdeauna

mai ridicată pe zonele sudice decât pe cele nordice.

Caracteristicile morfologice ale solului

Proprietăţile morfologice ale solurilor influenţează, de asemenea, foarte mult

temperatura şi regimul termic. Între solurile deschise la culoare şi cele negre există o

diferenţă medie de 4°C (Tab.I.2) [11]. S-a ajuns ca concluzia că, în perioadele mai calde

ale anului, solurile închise la culoare sunt mai calde şi cu variaţii zilnice accentuate. În

cursul nopţii, pierderile de căldură sunt mai rapide la solurile închise la culoare, iar

diferenţa de temperatură dintre solurile închise şi deschise la culoare se reduce cu creşterea

adâncimii. Influenţa culorii asupra căldurii solului este mai pronunţată pe solurile uscate,

care sunt mai calde decât cele umede.

Tipul de sol Temperatura solului (°C)

Culoare naturală Suprafaţa albă Suprafaţa neagră

Nisip cuarţos galben-gri 7,0 6,3 10,6

Nisip cuarţos gri 6,9 6,3 10,7

Argilă galbenă 6,7 5,8 9,7

Lut 6,9 5,7 9,6

Sol negru 7,3 5,8 10,6

Tab.I.2 Relaţia dintre tipul de sol, culoare şi temperatură [11]

28

I.3.2 Proprietăţile termo-fizice ale solului

Conductivitatea calorică (K)

Însuşirea esenţială a oricărui tip de sol este determinată de capacitatea lui de a

transmite căldura de la straturile mai calde către cele mai reci. În fizică, această proprietate

este caracterizată de coeficientul de conductivitate calorică (K). Aceasta reprezintă

cantitatea de căldură care trece sub formă de flux în unitatea de timp (s), prin unitatea de

suprafaţă (m2) a unui strat gros de 1 cm, pentru o diferenţă de temperatură de 1° C, între

partea superioară şi cea inferioară a stratului considerat [27]. Conductivitatea calorică

reprezintă o mărime caracteristică fiecărui tip de sol. Deoarece în sol există apă şi aer,

aceşti componenţi vor modifica proprietăţile termice ale solului. Influenţa exercitată va

depinde de coeficienţii calorici ai părţilor componente ale solului: coeficientul caloric al

apei este K = 0,0013 cal/cm2*grd, iar al aerului, K = 0,00005 cal/cm2*grd. Coeficientul de

conductivitate al particulelor solide variază între 0,001 şi 0,006 cal/cm2*grd. În acest

context, solurile cu un grad de umiditate redusă vor avea o conductivitate calorică mai

mică, decât cele umede (Tab.I.3).

Tipul de sol Coeficientul de conductivitate calorică (cal/cm2* grd.)

Sol nisipos 0.0028 Sol cu apă în pori 0.0042 Argilă 0.0044 Granit 0.0097 Gresie 0.0107

Tab.I.3 Valorile coeficienţilor de conductivitate calorică după natura solului [4]

Capacitatea calorică

Capacitatea calorică este considerată cantitatea de căldură necesară pentru creşterea

temperaturii unui corp cu un grad. Se exprimă prin noţiunea de căldură specifică [114].

Cantitatea de căldură, necesară ridicării temperaturii cu 1ºC a unui gram de substanţă,

poartă denumirea de căldură specifică gravimetrică sau masică (c), iar cantitatea de

căldură, necesară creşterii temperaturii cu 1ºC a unui centimetru cub dintr-un corp

oarecare se numeşte căldură specifică volumetrică sau volumică (C). Între aceste două

mărimi există relaţia :

C = c · p (1.1)

în care p este densitatea corpului (în cazul nostru a solului) [12].

29

Această formulă este derivată din relaţia calorimetrică :

Q = cm (t1- t0) (1.2)

având în vedere legătura strânsă dintre masă, volum şi densitate.

Valoarea căldurii specifice gravimetrice este dată de raportul dintre C şi p.

Căldura specifică volumetrică a unui sol, format din constituenţi solizi obişnuiţi şi

lipsit în totalitate de apă, a fost găsită în urma unor determinări repetate şi este cuprinsă

între 0,4 şi 0,6 cal/cm3*grd. Pentru acelaşi sol şi în aceleaşi condiţii de umiditate, căldura

specifică gravimetrică a fost egală cu 0,2-0,4 cal/g*grd.

Datorită faptului că în natură solul conţine, de cele mai multe ori, o anumită

cantitate de aer şi apă, la determinarea căldurii specifice a solului trebuie să se ia în

considerare şi valorile caracteristice ale acestora. Căldura specifică a aerului este de

0,0000306 cal/cm3*grd., iar a apei este de 1 cal/cm3*grd. (cea mai mare valoare), deci

solurile uscate se încălzesc şi se răcesc mai repede în primii centimetri decât cele umede.

Din aceeaşi cauză solurile nisipoase (care nu reţin apa) se încălzesc şi se răcesc mai rapid

decât solurile argiloase (care păstrează apa un timp îndelungat) [12].

Conductivitatea termică

Pentru o caracterizare mai bună a particularităţilor fizice ale solului, trebuie să se ia

în considerare şi conductivitatea termică. Coeficientul de conductivitate termică (λ) este

exprimat prin relaţia:

(1.3)

Coeficientul de conductivitate termică se exprimă în cm2/s. Valoarea va fi mai mare

în cazul aerului (0,16 cm2/s) şi mai mică pentru apă (0,0013 cm2/s). Aceste date explică de

ce solurile complet uscate au o conductivitate termică mai mare, în comparaţie cu cele

umede. Conductivitatea termică este o proprietate esenţială a solurilor în precizarea

propagării căldurii şi a variaţiilor temperaturii în adâncime. Proprietăţile termice ale

diferitelor tipuri de sol sunt influenţate, în principal, de umiditate şi gradul de afânare

(porozitate sau conţinutul de aer). Relaţiile dintre aceşti factori şi însuşirile termice ale unui

sol cernoziomic slab alcalin sunt prezentate în tabelele Tab.I.4 şi Tab.I.5.

30

Coeficientul de conductivitate

calorică (cal/cm2*grad)

Căldura specifică

(cal/cm2/grad)

Gradul de umectare

a solului

0,00065 0,340 2,0

0,00148 0,420 7,0

0,00253 0,630 20,5

Tab.I.4 Relaţia dintre gradul de umectare şi proprietăţile termofizice ale solului [89]

Volumul de

aer (%)

Dimensiunile

particulelor de sol (mm)

Căldura specifică

volumetrică (C)

Coeficientul de

conductivitate calorică (k)

50,7 0,25 0,281 0,00048

57,0 0,25-1 0,245 0,00044

60,4 1-2 0,226 0,00040

62,6 2-3 0,213 0,00039

63,9 3-4 0,210 0,00038

64,7 4-5 0,206 0,00037

Tab.I.5 Relaţia dintre porozitate şi proprietăţile termofizice ale solului [89]

Deoarece porozitatea şi structura fiecărui tip de sol variază în limite relativ restrânse,

compoziţia chimico-minerală este factorul principal care caracterizează fiecare tip de sol.

Umiditatea reprezintă unul din factorii variabili care influenţează considerabil a proprietăţile

termice ale solului. Dacă variabilele influenţează într-un procent foarte mic proprietăţile

termice ale solului, acestea suferă mari variaţii în funcţie de gradul de umiditate al solului.

Deci, pentru un anumit tip de sol, cercetarea regimului termic trebuie făcută numai luând în

considerare conţinutul de umiditate şi proprietăţile hidro-fizice ale acestuia [1]. În situaţia

comparării proprietăţilor termice ale diferitelor categorii de sol este obligatoriu să se ţină

seama şi de rolul exercitat de porozitate şi de structura fiecărui tip de sol.

I.3.3 Evoluţia temperaturii în sol

Evoluţia temperaturii suprafeţei solului

Factorul principal al încălzirii suprafeţei terestre este energia solară. Pentru

înţelegerea mecanismelor de încălzire (ziua) şi de răcire (noaptea) a suprafeţei solului, este

necesar să se cunoască bilanţul caloric diurn şi nocturn în timpul a 24 de ore [15].

31

Bilanţul caloric diurn

Bilanţul caloric diurn este notat cu B1 şi reprezintă o rezultantă a diferitelor

categorii de energie folosită în procesele de încălzire, radiaţie, evaporare etc.,conform

relaţiei :

B1 = S – R – E – V – Tc – FI (1.4)

unde :

S - intensitatea energiei radiante ajunsă la suprafaţa Pământului;

R - intensitatea energiei radiante reflectată de suprafaţa solului;

E - intensitatea energiei radiante emisă de suprafaţa solului;

V - intensitatea energiei radiante transformată în căldură şi consumată în procesul

evaporării;

Tc - energia calorică cedată straturilor de aer vecine suprafeţei terestre şi care

determină procesele de turbulenţă şi convecţie;

FI - fluxul caloric îndreptat de la suprafaţa terestră către straturile inferioare ale

Pământului.

Prin urmare, bilanţul caloric diurn este energia calorică rămasă disponibilă, care va

fi folosită pentru încălzirea suprafeţei terestre în cursul zilei (Fig.I.11).

Fig.I.11 Componentele bilanţului caloric diurn al suprafeţei solului [89]

Bilanţul caloric nocturn

Bilanţul caloric nocturn reprezintă totalitatea fenomenelor calorice care se produc

la suprafaţa Pământului în timpul nopţii, conform relaţiei :

B2 = - E' + Tc + V' + F'I (1.5)

Suprafaţa terestră răcindu-se, fluxurile de căldură au noaptea o orientare total

diferită de cea din timpul zilei [16]. În procesul de răcire al suprafeţei terestre determinantă

este radiaţia nocturnă (-E). În Fig.I.12 sunt prezentate elementele bilanţului radiativ

nocturn al suprafeţei terestre, în care V' reprezintă cantitatea de căldură rezultată din

32

procesul de condensare; Tc este fluxul de căldură din aer rezultat în urma schimbului

turbulent. Celelalte elemente sunt deja cunoscute din formula bilanţului caloric diurn.

Fig.I.12 Componentele bilanţului caloric nocturn al suprafeţei solului [89]

Prin urmare, bilanţul caloric în 24 de ore poate fi reprezentat prin formula :

Q = B1 - B2 (1.6)

Dacă se înlocuiesc elementele cuprinse în relaţiile anterioare se obţine următoarea

formulă:

Q = S – R – E – V – Tc – FI + E' – Tc – V' – F'I (1.7)

Din ultima relaţie rezultă cantitatea de căldură care va determina evoluţia

temperaturii la suprafaţa solului. Bilanţul caloric total (Q) reprezintă cantitatea de căldură

disponibilă la un moment dat la suprafaţa solului şi care contribuie la încălzirea sau răcirea

acesteia. Bilanţul caloric, analizat mai sus, oferă o imagine cuprinzătoare asupra oscilaţiilor

temperaturii suprafeţei solului. Această variaţie se poate exprima prin relaţia :

Q = m * c * (t – t0) (1.8)

Bilanţul caloric este direct proporţional cu:

m = masa corpului;

c = căldura lui specifică;

t–t0 = variaţia temperaturii (∆t).

Dacă m = 1, Q = c * ∆t, iar:

(1.9)

Formula este foarte importantă, deoarece cu ajutorul acesteia, se fac aprecieri

asupra variaţiei temperaturii unui corp oarecare. În cazul solului, variaţia temperaturii va fi

pozitivă la un bilanţ caloric pozitiv, deci temperatura suprafeţei solului va creşte dacă va

primi mai multă căldură decât cedează. De asemenea, aceasta este influenţată de căldura

specifică a solului. La o valoare mare a acesteia (în cazul solului umed), variaţia

temperaturii la suprafaţa solului se va micşora.

33

Temperatura suprafeţei solului prezintă două tipuri de variaţie:

o periodice (regulate)

o neperiodice (accidentale).

Variaţiile periodice sunt de două feluri:

o diurne

o anuale

Cele neperiodice sunt datorate modificării de la o zi la alta a elementelor

meteorologice care alcătuiesc aspectul vremii [26].

Variaţia diurnă a temperaturii suprafeţei solului

În timp de 24 de ore temperatura suprafeţei solului prezintă o valoare minimă

(dimineaţa, înainte de răsăritul Soarelui) şi una maximă (la aproximativ o oră după trecerea

Soarelui la meridianul locului de observaţie).

Diferenţa dintre temperatura maximă şi cea minimă se numeşte amplitudine diurnă

şi reprezintă o mărime caracteristică, cu ajutorul căreia se pot evidenţia particularităţile

regimului termic, în funcţie de natura şi starea fizică a solului (Tab.I.6).

Tipul de sol Amplitudinea diurnă (oC)

sol aer

Granit 20.3

13.1 Turbă 21.4

Nisip 34.5

Tab.I.6 Amplitudinea termică diurnă a diferitelor soluri comparativ cu a aerului [115]

Evoluţia diurnă a temperaturii suprafeţei solului este analogă cu cea a temperaturii

aerului numai în privinţa aspectului regulat al oscilaţiei. Valoarea amplitudinii diurne a

temperaturii solului este mult mai mare decât a temperaturii aerului (măsurată în adăpostul

meteorologic) şi se accentuează în perioada caldă a anului. Momentele producerii valorilor

extreme nu coincid în cazul temperaturii aerului, minima şi maxima se produc cu o

oarecare întârziere din cauza propagării căldurii de la suprafaţa solului către straturile

inferioare ale atmosferei, până la nivelul termometrului din adăpost. Variaţia diurnă a

temperaturii suprafeţei solului, comparativ cu temperatura aerului, este prezentată în Fig.I.13.

Temperatura de la suprafaţa solului depinde de proprietăţile fizico-chimice ale

solului, gradul de umiditate, tasarea sau afânarea solului, culoarea şi gradul de acoperire cu

34

vegetaţie. Din aceste considerente amplitudinea diurnă a temperaturii de la suprafaţa

solului are diferite valori. Astfel, în cazul unui sol umed, amplitudinea diurnă este mai

mică decât în cazul unui sol uscat cu aceeaşi structură fizică. Pentru un sol tasat,

amplitudinea va fi mai mare în comparaţie cu cea a solului afânat, datorită conductibilităţii

calorice reduse a aerului aflat sau nu între particulele de sol. Culoarea solului influenţează

şi ea valoarea amplitudinii diurne, care poate atinge diferenţe de 4-5ºC între solurile

închise şi cele deschise la culoare, cunoscându-se că solul închis se încălzeşte mai intens

decât cel deschis, care are albedo-ul mai ridicat.

Fig.I.13 Variaţia diurnă a temperaturii suprafeţei solului comparativ cu a aerului

la staţia Bucureşti (8 iulie, 2000) [32]

Variaţia anuală a temperaturii suprafeţei solului

În afara variaţiilor zilnice periodice, temperatura solului prezintă şi variaţii în

funcţie de anotimp şi anuale mult mai mari [41]. Cauza principală a acestora este

intensitatea radiaţiei solare primite în funcţie de latitudinea locului respectiv. Din datele

medii lunare rezultă că, în zonele cu climat continental, temperatura suprafeţei solului

prezintă un maximum în luna iulie şi un minimum în luna ianuarie [33]. Către latitudinile

polare apare un decalaj de aproximativ o lună în producerea extremelor termice, maximul

producându-se în august, iar minimul în februarie. În zonele tropicale şi ecuatoriale nu apar

oscilaţiile caracteristice latitudinile geografice unde anotimpurile sunt bine delimitate.

Regimul anual al temperaturii este perturbat doar de apariţia perioadelor ploioase, în

special din zonele musonice [44].

35

Alte cauze ale variaţiei anuale a temperaturii suprafeţei solului sunt covorul

vegetal, stratul de zăpadă şi factori locali de natură orografică. Comparativ cu evoluţia

anuală a temperaturii aerului, cea a suprafeţei solului prezintă valori medii mult mai mari.

În cazul unei vegetaţii forestiere, temperatura straturilor superficiale ale solului în timpul

verii, este mai coborâtă decât în câmp deschis (diferenţă de până la 8°C într-o pădure de

stejar) şi mai ridicată iarna [4].

Variaţia temperaturii solului în adâncime

Căldura înmagazinată la suprafaţa solului, datorită radiaţiei solare, este propagată

către straturile din adâncime prin conductibilitatea calorică specifică fiecărui tip de sol.

Propagarea căldurii în profunzime, pentru un sol presupus omogen, se produce respectând

câteva legi stabilite experimental de către J.Fourier :

o Perioadele oscilaţiilor termice sunt aceleaşi la toate adâncimile (de o zi şi de un an).

o Când adâncimea creşte în progresie aritmetică, amplitudinea oscilaţiilor termice

scade în progresie geometrică. Deci, în sol există la anumite adâncimi straturi cu

temperatura diurnă şi, respectiv, anuală invariabilă (constantă).

o Momentele producerii temperaturilor maxime şi minime întârzie proporţional cu

adâncimea.

o Adâncimile la care se amortizează oscilaţiile de temperatură (adică la care A=0) cu

perioade diferite sunt proporţionale cu rădăcinile pătrate ale perioadelor oscilaţiilor

respective. Notăm cu h adâncimea la care se amortizează oscilaţia termică cu perioada

de o zi şi cu h’ cea la care se amortizează oscilaţia anuală.

Prin urmare, adâncimea la care se sting oscilaţiile termice anuale este de 19,1 ori

mai mare decât adâncimea la care se amortizează cele diurne. Deci, oscilaţiile termice

anuale se propagă la adâncimi mult mai mari decât cele diurne [27].

În condiţii reale, apar abateri de la legile lui Fourier determinate de neomogenitatea

compoziţiei şi structurii solurilor. În această privinţă, Ciulache [18], în 1985, a descris cele

4 legi, iar Dragomirescu şi Enache [27], în 1998, au dezvoltat legea referitoare la

întârzierea producerii maximului şi minimului de temperatură pentru oscilaţii termice cu

perioade diferite (ex. un an), care are loc în acelaşi raport la adâncimi direct proporţionale

cu rădăcina pătrată a perioadei respective. După aceşti ultimi autori, prima lege se referă la

perioada de oscilaţie a temperaturii, următoarele două la variaţia amplitudinii termice, iar

ultimele două la întârzierea producerii maximelor şi minimelor de temperatură. Din aceste

legi trebuie reţinut faptul că propagarea căldurii de la suprafaţă către adâncime necesită o

36

anumită perioadă de timp, astfel că extremele termice se produc cu un decalaj temporal,

comparativ cu cele de la suprafaţă, a cărui valoare depinde de adâncimea la care se

efectuează observaţia.

Amplitudinea variaţiilor zilnice şi anuale ale temperaturii solului scade proporţional

cu adâncimea, iar momentul producerii maximei şi minimei este mult întârziat pe măsura

creşterii adâncimii. Temperatura solului suferă modificări (oscilaţii termice) până la o

anumită adâncime, după care rămâne constantă (stratul de izotermie), unde amplitudinea

variaţiilor anuale se anulează. Stratul de izotermie mai este cunoscut şi sub denumirea de

strat cu temperatură anuală constantă sau strat invariabil [25].

Stratul de izotermie se află la adâncimi variabile pe suprafaţa globului, dar şi

regional şi local, în funcţie de o serie de factori care determină propagarea căldurii în sol

[56]. În zonele tropicale acesta se găseşte la aproximativ 6-8 m, în cele temperate la 20 m,

iar în ţinuturile polare la 25 m. După acest strat de izotermie, temperatura solului în

straturile profunde creşte cu adâncimea, datorită căldurii interne a Pământului, conform

gradientului geotermic. Acesta are o valoare medie de 3,3°C/100 m. Adâncimea pentru

care temperatura creşte cu 1°C reprezintă treapta geotermică, a cărei valoare medie este de

33 m/grad. Limitele de variaţie sunt între 20 şi 40 m, în funcţie de particularităţile locale.

Ţinând cont de aceste două constante geotermice, temperatura în centrul planetei ar fi de

3000-4000°C [41].

Distribuţia pe verticală a temperaturii solului

În timpul unui an există două tipuri de propagare a căldurii în sol:

o tipul de insolaţie

o tipul de radiaţie

Tipul de insolaţie se caracterizează printr-o descreştere treptată a temperaturii până

la stratul de izotermie şi este specific ţinuturilor tropicale, unde se observă în tot cursul

anului. În zonele temperate şi reci apare numai în anotimpul de vară, în zilele senine cu

insolaţie puternică. Factorii locali (vegetaţia, precipitaţiile etc.) pot perturba acest tip de

distribuţie a temperaturii în sol [78].

Tipul de radiaţie aparţine latitudinilor înalte şi perioadei de iarnă din zonele

temperate şi se caracterizează prin creşterea temperaturii de la suprafaţă către interiorul

solului [87]. În anotimpurile de tranziţie, primăvara, un strat rece este situat între două

straturi mai calde, iar toamna, un strat cald este amplasat între două straturi mai reci [51].

37

Pentru reprezentarea grafică a variaţiei diurne şi anuale a temperaturii solului cu

adâncimea se folosesc două metode:

o curbele tautocrone (variaţia temperaturii cu adâncimea, la diferite momente) în

care sunt evidenţiate parţial legile de propagare a căldurii în sol [18]

o izopleta, care în cazul acesta poartă numele de geotermoizopletă sau geoizotermă

(variaţia temperaturii concomitent în timp şi adâncime).

Prima metodă reprezintă variaţia temperaturii cu adâncimea la diferite momente din

cursul unei zile sau pentru diferite intervale de timp, în valori medii zilnice orare sau

lunare. Pe ordonată este trecută adâncimea, iar pe abscisă temperatura. În acest fel se

obţine un număr de curbe corespunzător momentelor sau intervalelor luate în considerare.

A doua metodă foloseşte aceleaşi tipuri de valori, numai că pe abscisă este trecut timpul

(ora sau luna). Pe reţeaua de coordonate astfel obţinută se înscriu temperaturile respective,

după care se unesc cele cu aceeaşi valoare (izolinii).

În Fig.I.14 şi Fig.I.15 este reprezentată prin două metode, variaţia temperaturii

solului la diferite adâncimi la staţiile meteorologice Fundulea şi Bucureşti Filaret.

Fig.I.14 Reprezentarea variaţiei temperaturii lunare a solului în adâncime

prin metoda curbelor tautocrone [18]

38

Fig.I.15 Reprezentarea temperaturii solului în adâncime prin metoda geotermoizopletei [18]

39

CAPITOLUL II. Standul experimental

În capitolul II este prezentat standul experimental, o instalaţie complexă ce are ca

element principal pompa de căldură. Pe baza schemei funcţionale, prezentată în Fig.II.1,

este descrisă funcţionarea instalaţiei şi sunt prezentate, totodată, principalele elemente

componente. Pentru realizarea de măsurători cât mai exacte s-au ales instrumente de

precizie a căror funcţionare a fost studiată cu mare atenţie.

Fig.II.1 Schema funcţională a standului experimental

II.1 Descrierea Standului experimental

II.1.1 Elemente constructive

Staţia experimentală este reprezentată de o instalaţie de încălzire ce utilizează o

pompă de căldură apă/apă. La acest sistem se poate lega şi o instalaţie solară ce poate fi

cuplată la rezervorul de încălzire.

Din punct de vedere constructiv, instalaţia de pompă de căldură are următoarea

structură :

o Pompa de căldură propriu-zisă;

o Rezervor acumulare;

o Staţie de preparare a apei calde menajere;

o Sistem de senzori;

40

o Vane cu trei căi (V3V) dintre care una cu rol de recirculare pe circuitul de încălzire

în pardoseală;

o Pompe de circulaţie, dintre care două integrate în unitatea pompei de căldură.

1) Pompa de căldură

Pompa de căldură este de tipul GEO CC cu o putere de încălzire de până la 15 kW

şi cu o putere de răcire de 18 kW (în conformitate cu specificaţiile producătorului).

Aceasta oferă o funcţionare în regim de încălzire, răcire activă şi preparare apă menajeră şi

lucrează cu agentul frigorific ecologic şi fără clor R 407 C [104].

Componentele pompei de căldură

- compresor cu capsulă Scroll de calitate superioară, răcit cu gaz de aspirare;

- schimbător de căldură cu plăci din oţel inox lipit cu aliaj de cupru pentru

vaporizator şi condensator;

- vană termostatică de destindere;

- robinet cu patru căi de inversare (la răcire activă);

- presostat de presiune înaltă şi de joasă presiune;

- sticlă de nivel pentru agent frigorific;

- colector de agent frigorific;

- uscător filtru;

- schimbător de căldură cu gaz aspirat;

- releu termoelectric pentru protecţia compresorului;

- protecţie a motorului;

- pompă de circulatie a soluţiei sărate;

- pompă de umplere a acumulatorului (la modul de construcţie compact);

- comutatorul principal pentru curent;

- cadru de bază stabil;

- 4 furtunuri de racordare flexibile. [103]

Principiul de funcţionare al pompei de căldură

În imaginile de mai jos este prezentat regimul de încălzire, respectiv, de răcire al

pompei de căldură. Încălzirea sau răcirea cu un singur aparat sunt posibile datorită faptului

că circuitul agentului frigorific este "inversat" cu ajutorul unei vane cu patru căi.

41

Regimul de încălzire

În regimul de încălzire (Fig.II.2), se transmite căldura de la sursa de căldură la

agentul frigorific (AF) în schimbătorul de căldură 3. În acest proces, agentul frigorific se

evaporă şi curge apoi, aspirat de către compresorul 1, prin schimbătorul de căldură cu gaz

aspirat 5, unde agentul frigorific este încălzit încă o dată. În compresor, agentul frigorific este

adus la o presiune mai mare şi la un nivel de temperatură mai ridicat prin utilizarea de

energie electrică. Agentul frigorific ajunge apoi în schimbătorul de căldură 2, unde transmite

cea mai mare parte a căldurii sale apei de încălzire mai reci, în timpul acestui proces se

condensează. Pe traseul înspre vana de destindere 7, agentul frigorific lichid trece prin

colectorul de agent frigorific 6, uscătorul de agent frigorific şi prin schimbătorul de căldură

cu gaz aspirat, unde are loc încă un schimb de căldură între agentul frigorific lichid şi agentul

frigorific în formă gazoasă (care vine de la vaporizator). După vana 7, agentul frigorific se

destinde şi se răceşte în acest proces, apoi ajunge din nou în vaporizator. Astfel, circuitul de

răcire este închis şi poate începe din nou [121].

Sursa caldă/rece a pompei de căldură geotermică este reprezentată de sol ; opt

captori, grupaţi 2 câte 2, sunt îngropaţi la adâncimi de 80 până la 120m. În circuitul dintre

pompa de căldură şi captori se utilizează o soluţie de apă cu glicol.

albastru: agent frigorific cu

presiune redusă şi

temperatură scăzută

roşu: agentul frigorific cu

presiune mare şi temperatură

ridicată

Fig.II.2 Principiul de funcţionare încălzire la varianta de pompă de căldură "numai încălzire" [113]

Regim de răcire

În regim de răcire (Fig.II.3), modul de funcţionare al componentelor individuale în

cadrul circuitului de răcire este acelaşi ca şi la regimul de încălzire, cu excepţia faptului că

cele două schimbătoare de căldură 2 şi 3 îşi inversează funcţiile. Condensatorul din

regimul de încălzire devine vaporizator, în timp ce vaporizatorul din regimul de încălzire

preia funcţia condensatorului. Vana cu patru căi 4 asigură direcţia de curgere corectă în

interiorul circuitului de răcire [121].

42

albastru: agent frigorific cu

presiune redusă şi

temperatură scăzută

roşu: agentul frigorific cu

presiune mare şi

temperatură ridicată

Fig.II.3 Principiul de funcţionare la răcire la varianta de pompă de căldură cu răcire activă [113]

2) Rezervoare de acumulare

Avem doua astfel de rezervoare tampon unul pentru încălzire (825 l) şi unul pentru

răcire (500 l), ambele fiind concepute pentru echilibrarea hidraulică a sistemului de pompă

de căldură; rezervoarele de acumulare sunt realizate din oţel superior St 37.2 (Fig.II.4) [113].

În cazul acumulatorului pentru încălzire, acesta este construit pentru a putea fi

racordat la staţia de preparare a apei calde menajere. Pentru anumite situaţii, acumulatorul

se poate livra cu o placă de separare a straturilor din polipropilenă, prin care este posibilă o

separare termică între zona superioară şi inferioară a acumulatorului [86]. Astfel, se obţine

un gradient de temperatură mai ridicat în partea superioară, lucru ce determină optimizarea

utilizării staţiei de apă caldă menajeră. Prin intermediul unei flanşe de pe partea din faţă a

acumulatorului, este posibil montajul unui schimbător de căldură, pentru energia termică

recuperată, prin intermediul unui captator solar [76].

Fig.II.4 Rezervor acumulare – schema detaliata [113]

43

3) Staţia de preparare a apei calde menajere

Staţia de preparare a apei calde menajere este compusă dintr-un schimbător de

căldură cu plăci din oţel, o pompă de circulaţie, pentru alimentarea schimbătorului cu plăci

cu apă de încălzire pe partea primară, şi 2 vane de închidere în scopuri de întreţinere [123].

Pe circuitul secundar, unde apa rece urmează a fi încălzită, se află un senzor de debit

pentru activarea pompei de circulaţie, un filtru de impurităţi (distanţa între ochiuri 0,5 mm)

şi o vană oblică [113].

Principiul de funcţionare al staţiei a apei calde menajere

Imediat ce se filtrează apa caldă menajeră 5, se activează (prin comutatorul de debit

2) pompa de circulaţie 6 pe partea primară. În funcţie de temperatura setată a apei calde

menajere, se variază turaţia pompei de circulaţie pentru a pune la dispoziţie schimbătorului

de căldură cu plăci 3, suficientă căldură în funcţie de temperatura apei din rezervorul

tampon 8. Căldura se transmite, în schimbătorul de căldură cu plăci, de la apa din

rezervorul tampon la apa potabilă rece 1, iar apa potabilă se încălzeşte în timp ce se răceşte

apa din rezervorul tampon (Fig.II.5). Apa potabilă încălzită curge înspre punctul de filtrare

4, în timp ce apa răcită 7, curge în partea inferioară a rezervorului tampon, unde se

încălzeşte din nou.

1. Conducta de apă rece;

2. Comutator debit;

3. Schimbător de căldură cu plăci al

staţiei de apă proaspătă;

4. Senzor de temperatură apă caldă

menajeră;

5. Conductă de apă caldă menajeră;

6. Pompă de circulaţie;

7. Retur staţie de apă proaspătă;

8. Rezervor tampon.

Fig.II.5 Rezervor acumulare, schema principiu [113]

44

4) Sistemul de senzori

Senzor Descriere Intrare Tip

S1 Senzor conducta de ducere pompă de căldură B1 NTC

S2 Senzor pentru ieşirea sursei de căldură, senzor intrare aer B2 NTC

Sext Senzor exterior B3 NTC

Sb Senzor pentru rezervor tampon încălzire B4 NTC

Srece Senzor pentru rezervor tampon răcire B5 NTC

TH Senzor încăpere B6 NTC

Senzor pentru umiditatea încăperii B7 0..1 V

Smix

Senzor de temperatura minima pe conducta de ducete a

agentului cald al circuitului de încălzire pentru vana de

amestec

B8 NTC

Sd Senzor al acumulatorului prioritate apă caldă menajeră B9 NTC

Tab.II.1 Senzori [113]

Dintre senzorii ce se regăsesc în schema funcţională a standului experimental, cel

mai important este senzorul de temperatură-umiditate care este prezentat în cele ce

urmează [104].

Senzorul de temperatură-umiditate (TH)

La instalaţiile cu regim de răcire trebuie prevăzuţi, în mod obligatoriu, senzori

pentru umiditatea/temperatura încăperii (Tab.II.1). Pentru optimizarea modului de

funcţionare, se recomandă insistent senzorul pentru umiditatea /temperatura încăperii şi în

cazul instalaţiilor care funcţionează cu un singur circuit nereglat. În funcţie de modul de

construcţie al instalaţiei, trebuie prevăzute în toate cazurile, în mod suplimentar, relee

pentru punctul de condensare cuplate în serie sau eventual, un singur releu pentru punctul

de condensare.

Senzorul pentru temperatura şi umiditatea încăperii este necesar pentru

determinarea punctului de condensare, dar şi la comutarea regimului de încălzire/răcire în

regimul de funcţionare autonom.

Senzorul de temperatură şi umiditate utilizat în acest caz are o plajă de valori

cuprinsă între 0…50°C, respectiv 10 …90% umiditate relativă [104].

45

II.1.2 Funcţionare

1) Consecutivitatea logică a acţiunilor

1. Pompa de căldură este pornită.

Acesta este primul pas logic din funcţionarea oricărui sistem.

2. Pompele de circulaţie sunt puse în funcţiune.

Sistemul este pus în mişcare prin acţionarea celor două pompe de circulaţie situate pe

conducta de ducere a circuitul primar, respectiv pe conducta de ducere a circuitul secundar.

De asemenea, este pornită şi pompa de circulaţie de pe conducta de ducere a sistemului de

încălzire/răcire în pardoseală.

3. Citirea datelor furnizate de senzori.

Acum se realizează analiza parametrilor implicaţi în funcţionarea instalaţiei de pompă

de căldură şi a pompei de căldură propriu-zise. Astfel, se obţine :

a. Stabilirea regimului de funcţionare (încălzire/răcire). Acest pas este extrem

de important în funcţionarea instalaţiei, deoarece furnizează informaţii

privitoare la acţiunile viitoare ce trebuie executate.

b. Stabilirea circuitului prioritar (dacă e cazul) se realizează în cazul regimului

de încălzire.

c. Acţionarea vanelor. Acum sunt închise sau deschise vanele cu trei căi

(V3V) de pe circuitul secundar, vana cu patru căi (V4V) care asigură

reversibilitatea pompei de căldură şi vana de amestec a sistemului de

încălzire/răcire în pardoseală.

4. Compresorul porneşte.

Funcţionarea întregului sistem este completat de pornirea compresului.

5. Procesarea erorilor de funcţionare (în caz că există în regim de avarie).

În cazul apariţiei unor erori, indiferent de natura lor (de hard sau soft), funcţionarea

sistemului este întreruptă şi se trece imediat la regimul de avarie.

6. Funcţionarea în parametrii stabiliţi.

Dacă nu apar probleme care să influenţeze funcţionarea instalaţiei de pompă de

căldură, utilizarea se efectuează în parametri stabiliţi [74].

46

2) Structurarea funcţionării

Din punct de vedere structural, putem împărţii instalaţia de pompă de căldură astfel:

a) Circuitul primar

O dată cu pornirea pompei de căldură, pompa de circulaţie 1 (PC1) este acţionată,

apoi se realizează o analiză a circuitului pe baza informaţiilor înregistrate cu ajutorul

senzorilor. Astfel, apar o serie de posibilităţi de evoluţie a circuitului primar :

o în funcţie de presiunea înregistrată pe circuit, valoarea poate fi prea ridicată sau,

cum se întâmplă în majoritatea cazurilor, mult mai scăzută decât cea impusă funcţionării

în regim normal.

o în funcţie de temperatura la intrarea în pompa de căldură, valoarea agentului primar

poate fi mai mică decât cea necesară pentru vaporizarea agentului frigorific. Poate apărea

şi situaţia îngheţului, astfel sistemele de protecţie înglobate în automatizarea instalaţiei

realizează trecerea în regimul de avarie.

În cazul în care nu sunt înregistrate neregularităţi în ceea ce priveşte valorile stabilite

ale parametrilor de funcţionare în regim normal, pompa de circulaţie va continua să

funcţioneze conform valorilor stabilite [96].

b) Circuit secundar

Pompa de circulaţie 2 (PC2) este acţionată. Apoi, în funcţie de datele înregistrate de

senzori (temperatura exterioară) se stabileşte regimul de funcţionare (încălzire sau răcire).

Astfel vanele cu trei căi 1 (V3V-1) şi 3 (V3V-3) sunt acţionate. În cazul în care avem

regim de încălzire, trebuie setată prioritatea în raport cu prepararea apei calde menajere.

Astfel vana cu trei căi 2 (V3V-2) este acţionată.

În cazul în care valorile parametrilor stabiliţi (presiune, temperatură) pentru

funcţionarea în regim normal nu sunt respectaţi, se va trece la regimul de avarie [97].

c) Sistem de încălzire/răcire

Pompa de circulaţie 3 (PC3), de pe circuitul de încălzire/răcire, este pusă în

funcţiune. Vana cu trei căi pentru amestec (V3V-mix) este acţionată în funcţie de

temperatura necesară la interior. Când temperatura ambiantă este atinsă, vana este închisă

complet, agentul termic fiind recirculat. Când necesarul la interior este mult mai mare,

atunci vana de amestec este deschisă complet, alimentarea realizându-se din acumulatorul

de încălzire sau răcire în funcţie de regim [98].

47

3) Regimuri de funcţionare

Regimul de încălzire

Începutul regimului de încălzire

Regimul de încălzire este declanşat, atunci când media temperaturii exterioare,

calculată în funcţie de timp, scade sub valoarea limită reglabilă. Comutarea, în funcţie de

timp şi de temperatura exterioară, ia în considerare inerţia clădirii şi împiedică declanşarea

regimului de încălzire în perioadele reci dar de scurtă durată. Pot fi stabilite limite de

încălzire diferite pentru funcţionarea în regim normal şi funcţionarea în regim de absenţă.

Circuit reglat

Circuitul de încălzire reglat este utilizat, de exemplu pentru alimentarea unei

încălziri prin suprafeţe radiante. Temperatura pe conducta de ducere este reglată prin

intermediul unei comenzi de amestec la retur şi este definită prin intermediul unei curbe de

încălzire cu un punct de bază şi o pantă reglabilă pentru funcţionarea în regim normal şi

funcţionarea în regim de absenţă, dar şi prin intermediul valorii minime şi al valorii

maxime a temperaturii pe conducta de ducere.

Ca opţiune, temperatura pe conducta de ducere poate fi adaptată la necesarul actual

prin intermediul valorii nominale a temperaturii încăperii în camera de referinţă.

Regimul de încălzire al circuitului reglat este oprit independent de criteriul de

încălzire, când temperatura în încăperea determinantă depăşeşte valoarea nominală a

temperaturii camerei cu o valoare mai mare decât valoarea reglată de parametrul P1

(presetare 6K).

Acest caz, însă, nu ar trebui să intervină în practică. Chiar şi când încăperea

determinantă este operată fără un reglaj separat al temperaturii încăperii, temperatura

încăperii nu este depăşită în mod semnificativ în cazul unui reglaj corect al curbei de

încălzire şi al compensării pentru temperatura încăperii [99].

Circuit nereglat

Circuitul de încălzire nereglat este utilizat, de exemplu pentru alimentarea

radiatoarelor suplimentare. Valoarea temperaturii nominale pe conducta de ducere rezultă

din parametrii corespunzători. Circuitul nereglat este supus, condiţionat de sistem, acelor

variaţii ale temperaturii rezultate din încălzirea rezervorului tampon. De asemenea,

48

condiţionată de sistem, temperatura acestuia este la un nivel echivalent sau mai mare cu

circuitul reglat [99].

Exploatarea rezervorului tampon de încălzire

Exploatarea se realizează având în vedere temperaturile necesare pentru circuitul

reglat şi nereglat, dar şi cu respectarea timpilor de funcţionare şi de repaos utili ai pompei

de căldură [94].

Funcţionare în regim redus

Declanşarea funcţionării în regim redus pentru circuitele de încălzire se realizează

prin definirea de programe zilnice combinate în programe săptămânale. La funcţionarea în

regim redus, se realizează o reducţie reglabilă a temperaturii pe conducta de ducere.

Funcţionarea în regim redus nu este declanşată, respectiv oprită, dacă temperatura

exterioară nu scade sub o valoare limită reglabilă [92].

Funcţionarea în regim de concediu este setată prin introducerea unei date pentru

start şi a unei date pentru sfârşit. În timpul concediului, încălzirea se realizează cu o

temperatură pe conducta de ducere redusă (valoare setată de utilizator).

Regimul de răcire

Începerea regimului de răcire

Începerea regimului de răcire este declanşată printr-un calcul al următoarelor

mărimi de intrare:

1. temperatură exterioară mediată în funcţie de timp

2. temperatura exterioară actuală

3. temperatura încăperii

4. modificarea temperaturii încăperii în decursul a 30 min. (gradient)

Pentru fiecare din cele patru mărimi se defineşte câte o valoare de referinţă şi un

factor. Dacă una dintre aceste mărimi de intrare este mai mare decât valoarea de referinţă,

ea are un efect mai puternic în direcţia regimului de răcire, iar dacă este mai mică, are un

efect inhibitor.

Modificarea temperaturii încăperii, în cadrul unui interval de timp definit, are un

efect de amplificare atunci când are loc în direcţia crescătoare, şi reductor, în direcţia

descrescătoare.

49

Exemple:

(în utilizarea setului standard de parametri, valorile de referinţă apar în paranteze drepte)

Exemplul 1:

În perioada de tranziţie de la perioada de încălzire la cea de răcire, intervine o zi

călduroasă:

- temperatură exterioară medie: 16°C [18°C]

- temperatură exterioară actuală*: 26°C [24°C]

- temperatură încăperii: 25°C [24°C]

- gradient: +1 K

Efectul de inhibare al temperaturii exterioare medii este anulat de către temperatura

exterioară actuală, dar şi de către temperatura încăperii care este deja prea mare şi se află în

creştere, astfel încât sistemul trece în regimul de răcire. Însă, sistemul trece în regim de

răcire doar atunci când în perioada anterioară, regimul de încălzire este mai mare de 8 h

(valoare reglabilă) [113].

Exemplul 2:

Într-o perioadă cu regim de răcire, intervine o zi de vreme rea:

- temperatură exterioară medie: 21°C [18°C]

- temperatură exterioară actuală: 20°C [24°C]

- temperatură încăperii: 24°C [24°C]

- gradient : -0,5 K

Temperatura exterioară, aflată în coborâre asigură încheierea regimului de răcire în

ciuda fazei călduroase precedente [113].

Exemplul 3:

În timpul toamnei, când este deja în funcţiune un regim de încălzire, mai intervine o

zi călduroasă:

temperatură exterioară medie: 15°C [18°C]

temperatură exterioară actuală*: 25°C [24°C]

temperatură încăperii: 23°C [24°C]

gradient - 0 K

În acest exemplu, temperatura exterioară medie redusă împiedică îndeplinirea

criteriului de răcire. De exemplu, dacă creşte mai mult temperatura încăperii spaţiului de

referinţă, regimul de încălzire se opreşte. În acest caz, începe din nou să se contorizeze

timpul de întrerupere, plecând de la terminarea regimului de încălzire [113].

50

Circuit reglat

În principiu, există două moduri de funcţionare:

a) reglarea temperaturii pe conducta de ducere în funcţie de punctul de condensare

calculat

Punctul de condensare rezultă din temperatura încăperii măsurată în încăperea de

referinţă şi din umiditatea relativă a aerului din încăpere. Aici poate fi stabilit intervalul

admis al temperaturii pe conducta de ducere.

b) reglarea în funcţie de o valoare fixă

Regimul de răcire al circuitului reglat este oprit independent de criteriul de răcire,

atunci când temperatura din încăperea determinantă scade sub valoarea nominală a

temperaturii camerei.

Circuit nereglat

Aceeaşi funcţionare este valabilă şi pentru circuitul nereglat, însă temperatura pe

conducta de ducere nu este la fel de constantă ca şi temperatura circuitului reglat.

Exploatarea rezervorului tampon pentru apă de răcire

Exploatarea se realizează având în vedere temperaturile necesare pentru circuitul

reglat şi nereglat, dar şi cu respectarea timpilor de funcţionare şi de repaos utili ai pompei

de căldură.

Funcţionare în regim redus

În decursul functionarii în regim redus (considerand un regim în care cladirea nu

este ocupata) pentru circuitul reglat şi nereglat, temperatura pe conducta de ducete poate fi

mărită, în decursul funcţionării în regim redus, cu o valoare care poate fi introdusă de

utilizator. În decursul funcţionării în regim de concediu, nu are loc funcţionarea în regim

de răcire.

II.2 Măsurători si achiziţii de date

II.2.1 Achiziţia de date meteorologice

1) Senzorul multiplu Vaisala Weather Transmitter – WXT 510

WXT 510 este un instrument multisenzor (Fig.II.6), realizat de Vaisala (lider

mondial în industria aparatelor de măsură) în 2003, cu ajutorul căruia se pot măsura cei

51

mai importanţi factori meteorologici. Este un echipament configurabil, compact, cu un

consum scăzut de energie, este uşor şi simplu de instalat, iar parametrii măsurabili cu

senzorii corespunzători sunt:

o Direcţia şi viteza vântului – WINDCAP

o Precipitaţii lichide – RAINCAP

o Presiune atmosferică – BAROCAP

o Temperatură – THERMOCAP

o Umiditate relativă – HUMICAP 180

În cazul analizei sistemului de pompă de căldură, parametrii necesari, care ar trebui

şi pot fi determinaţi cu ajutorul senzorului multiplu, sunt : temperatura şi umiditatea relativă

[21].

1.Traductorii de vânt ;

2.Senzor de precipitaţii;

3.Senzor de presiune;

4.Senzor de temperatură şi

umiditate.

Fig.II.6 Senzor multiplu WXT 510 [21]

Aceşti parametri pot fi studiaţi utilizând modulul PTU care cuprinde :

A. Senzor condensator silicon BAROCAP – pentru măsurarea presiunii

atmosferice;

B. Senzor condensator ceramic THERMOCAP – pentru măsurarea temperaturii

aerului;

C. Senzor condensator polimer film subţire HUMICAP 180 – pentru măsurarea

umidităţii relative a aerului.

Senzor pentru măsurarea temperaturii aerului THERMOCAP

Senzorul capacitiv de temperatură conţine un element ceramic, iar domeniul de

măsură este de : -52oC .. +60oC.

52

Senzorul de temperatură este format din două

plăcuţe din platină (Fig.II.7), cu grosimea de 25 µm,

separate de un dielectric din sticlă ceramică.

1. Plăcuţe din platină;

2. Sticlă ceramică;

3. Sticlă;

4. Punte de alimentare în plăcuţele de platină.

Capacitatea electrică (C) se caracterizează prin

proprietatea corpurilor de a înmagazina sarcini

electrice. Se defineşte prin raportul dintre sarcina

electrică înmagazinată (Q) şi potenţialul unui conductor

izolat (V) [21].

Fig.II.7 Secţiune longitudinală

prin senzor [21]

Senzor pentru măsurarea umidităţii relative a aerului HUMICAP 180

Caracteristicile senzorului:

o precizie mare;

o stabilitate excelentă pe termen lung;

o histerezis neglijabil;

o rezistent la praf, murdărie şi multe substanţe chimice.

Principiul de funcţionare

Filmul subţire de polimer absoarbe sau eliberează vaporii de apă în funcţie de

umiditatea relativă a aerului. Proprietăţile dielectrice ale filmului de polimer depind de

cantitatea totală de apă conţinută de acesta. Dacă umiditatea relativă se modifică, se

schimbă şi proprietăţile dielectrice ale filmului de polimer şi, implicit, variază şi

capacitatea senzorului.

Partea electronică a instrumentului măsoară capacitatea senzorului şi o converteşte

într-o citire a umidităţii relative [21].

2) Sondă de radiaţie solară globală – tip FLA613GS

Pentru determinarea intensităţii radiaţiei solare difuze şi totale, se folosesc

piranometrele (sonde de radiaţie solară).

Radiaţia globală este definită ca fiind suma dintre radiaţia solară directă şi cea

indirectă, iar unitatea de măsură este W/m2.

53

Elementele sensibile, care convertesc radiaţia luminoasă în semnal electric, se

numesc fotodetectoare, elemente fotosensibile sau fotosenzori. După felul cum se obţine

semnalul electric, fotodetectoare se împart în fotodetectoare de tip generator şi

fotodetectoare de tip parametric.

Fotodetectoare de tip generator se caracterizează prin aceea că furnizează la ieşire

un semnal electric de forma unei tensiuni, fără a fi necesară o sursă de energie electrică

suplimentară. Acestea se bazează pe efectul fotovoltaic şi se numesc fotoelemente sau

celule fotovoltaice.

La fotodetectoare de tip parametric, radiaţia luminoasă incidentă pe suprafaţa

activă modulează un parametru de circuit electric. Cele mai răspândite fotodetectoare de

acest tip sunt fotorezistenţele, fotodiodele şi fototranzistoarele [21].

Sonda de radiaţie globală, folosită la aceste măsurători, este de tip fototranzistor.

Dintre caracteristicile acesteia amintim:

o capul de măsură este montat într-o cutie din aluminiu ce are la partea superioară o

calotă semisferică ce lasă să treacă radiaţiile solare UV;

o sistemul este protejat împotriva ploii şi a apei şi este prevăzut cu un sistem de

deshidratare pentru a se evita condensarea, ce ar putea să aibă loc pe peretele intern al

calotei realizată din material plastic;

o senzorul este folosit în studii climatice, medicale, biologice, în sisteme de

informare şi prognoze meteorologice etc [21].

3) Centrală portabilă de achiziţie date – ALMEMO 2690-8

Centrala portabilă de achiziţie date permite programarea măsurătorilor şi are, de

asemenea, rolul de a face posibilă afişarea valorilor instantanee ale parametrilor

meteorologici, stocarea şi prelucrarea datelor obţinute din procesul de măsurare.

Sistemul ALMEMO 2690-8 este un instrument nou în gama aparatelor de măsură şi

este echipat cu un sistem conector patentat de Ahlborn GmbH. Conectorul inteligent

ALMEMO prezintă avantaje importante cu privire la cuplarea senzorilor şi perifericelor,

iar valorile parametrilor sunt stocate într-un EE-PROM. Toţi senzorii şi modulele de ieşire

pot să fie conectate la toate aparatele de măsură de tip ALMEMO.

Acest instrument este conceput să se configureze singur, iar operarea acestuia este

uşoară datorită meniurilor şi ferestrelor de ajutor. Acesta permite conectarea multitudinii

de senzori sau sisteme periferice (Fig.II.7) cu funcţii speciale.

54

Aparatul ALMEMO 2690-8 are cinci intrări posibile pentru senzorii ALMEMO şi

poate fi operat prin intermediul unui display grafic LCD şi al unor taste de programare.

Meniurile folosite pot să fie configurate prin adaptarea display-ului la fiecare aplicaţie.

Funcţionarea aparatului este corelată cu un ceas ce funcţionează în timp real, iar

memoria de stocare a datelor de tip EE-PROM este de 512 kB şi este suficientă pentru

înregistrarea a 100000 de valori măsurate. Dacă memoria de stocare este insuficientă, se poate

utiliza o memorie externă. Ca memorie externă se utilizează un conector de memorie (MMC),

cu un convenţional de memorie multi-media flash memory card, disponibil ca accesoriu [21].

Două prize de ieşire permit conectarea oricărui modul de ieşire de tip ALMEMO,

ca de exemplu: ieşire analogică, interfaţă digitală sau sistem de alarmă. Există aparate care

pot fi introduse într-o reţea printr-o simplă conectare a acestora cu cablurile specifice [21].

Programarea senzorilor

Canalele de măsură sunt programate automat de conectorii de tip ALMEMO.

Totuşi, utilizatorul poate completa sau modifica programarea printr-o interfaţă oarecare sau

folosind o tastatură. Doua valori limita (1 max. si 1 min.) au fost setate pentru fiecare

canal de măsură. Histerezisul standard este de 10 digits [21].

Măsurare

Valorile determinate, pentru cei 1-20 parametrii măsurabili, pot să fie afişate pe

display în diferite meniuri (care pot fi, de asemenea, configurate), cu trei mărimi, ca un

grafic cu bare sau cu linii. Fiecare măsurătoare implică o achiziţie şi o stocare a două

valori (1 max. si 1 min.), fiind incluse ora şi data. Aceste valori pot fi afişate, imprimate

sau şterse. Pentru fiecare canal este posibilă realizarea unei medieri a valorilor măsurate

într-un interval oarecare de timp, într-un ciclu sau afişarea după o singură măsurătoare.

Proces de control

Procesul de măsurare poate fi pornit sau oprit folosind o tastatură, o interfaţă, un ceas

ce indică timpul real sau depăşirea valorilor limită.

o Ora si data – ceasul ce indică timpul real este un element important în realizarea

unei bune înregistrări a valorilor măsurate.

o Ciclul măsurării – este programabil între 1 s şi 59 h, 59 min şi 59 s şi prevede o

ieşire ciclică a valorilor măsurate la interfaţă sau memorie.

o Numerotarea măsurării – prin introducerea unui număr, o singură scanare sau o serie

întreagă de măsurători pot fi identificate şi citite selectiv la extragerea din memorie [21].

55

Operare

Toate măsurătorile şi valorile funcţiei definite au fost afisate în diferite meniuri pe

un display LCD. Trei meniuri pot să fie configurate individual din cele aproximativ 50 de

funcţii regăsite în aplicaţiile specifice. Nouă taste (patru fiind programabile) au fost

folosite pentru operarea aparatului [21].

Ieşire

Toate instrumentele, meniurile de funcţionare, valorile măsurate şi înregistrate,

precum şi parametrii programaţi au reprezentat ieşiri la un echipament periferic de tip PC.

Ieşirea datelor măsurate a fost selectată într-un format tabel.

Programe utilizate

Programul AMR-Control permite întreaga programare a senzorilor, configurarea

instrumentului de măsură, utilizarea meniurilor şi citirea datelor extrase din memoria

aparatului. Programul WINDOWS – WIN Control a fost pentru achiziţia datelor provenite

din reţeaua de aparate, asigurând procesarea complexa a datelor, precum şi o reprezentare

grafică deosebită a valorilor măsurate şi înregistrate [21].

4) Determinarea parametrilor în interiorul clădirilor

Pentru determinarea parametrilor se vor urmări două tipuri de factori, caracterizaţi

printr-o importanţă mare atât în studiul funcţionalităţii clădirii, cât şi în cel al transferului

de energie exterior/interior. Aceştia sunt : temperatura şi umiditatea relativă.

Temperatura aerului

Având în vedere faptul că aerul atmosferic poate fi asimilat cu un gaz perfect în

condiţii de presiune şi temperatură de la suprafaţa terestră, temperaturile folosite în tehnica

instalaţiilor de ventilare şi climatizare sunt :

o Temperatura după termometrul uscat (t) – este temperatura măsurată cu un

termometru protejat împotriva radiaţiilor termice;

o Temperatura după termometrul umed (t’) – este temperatura măsurată cu

termometrul al cărui bulb este înfăşurat într-un material îmbibat cu apă. Mai este denumită

temperatura de saturaţie adiabatică şi izobară a aerului umed;

o Temperatura punctului de rouă (tτ) – este temperatura pentru care presiunea

parţială a vaporilor de apă, din aerul umed de o anumită temperatură şi conţinut de

56

umiditate, răcit izobar, devine egală cu presiunea lor de saturaţie sau reprezintă

temperatura la care începe condensarea vaporilor de apă la răcirea izobară, cu conţinutul de

umiditate constant a aerului umed.

( t > t’ > tτ – aer nesaturat; t = t’= tτ – aer saturat)

Pentru cunoaşterea legăturii dintre temperatura şi volumul diferitelor corpuri s-au

realizat diferite tipuri de termometre, iar pe baza acestora s-a definit gradul de temperatură,

stabilit faţă de anumite puncte termice (temperatura de fierbere a apei distilate la presiune

normală şi temperatura de topire a gheţii).

Intervalul dintre cele două puncte termice de referinţă reprezintă scala

termometrică, intervalul împărţit într-un număr variabil de parţi egale, fiecare dintre ele

reprezentând un grad de temperatură.

Puncte termice fixe :

o Topirea gheţii – 0oC (32oF)

o Fierberea apei – 100oC (212oF) ; 1oF=5/9oC ;

Senzorul pentru măsurarea temperaturii aerului, folosit în această lucrare este de tip

Vaisala (THERMOCAP) şi face parte din modulul PTU.

Dintre instrumentele clasice folosite pentru măsurarea temperaturii aerului amintim:

o Termometrul meteorologic psihometric;

o Termometrul de maximă;

o Termometrul de minimă.

Lichide termometrice clasice:

o Mercurul (Hg) – pentru termometre ce măsoară temperaturi ridicate;

o Alcoolul etilic (C2H5-OH) – pentru temperaturi scăzute;

o Toluenul (C6H5-CH3) – hidrocarbură aromatică folosită pentru temperaturi scăzute [21].

Umiditatea relativă a aerului

Pentru caracterizarea amestecului format din aer uscat şi vapori de apă se folosesc

mărimile cunoscute în termodinamica aerului umed : conţinutul de umiditate (x) şi

umiditatea relativă (φ).

Conţinutul de umiditate

Conţinutul de umiditate reprezintă masa vaporilor de apă raportată la masa de aer

uscat:

57

a

v

mm

x =

uscataerkgvaporikg

___

(2.1)

Unitatea de măsura folosită este g vapori de apă pe kg aer uscat:

a

v

v

a

a

a

v

v

a

v

pp

RR

VpTR

TRVp

mm

x ***

***

=== (2.2)

KkgJ

Ra *287=

KkgJ

Rv *462= (2.3)

a

v

pp

x 622,0=

unde:

mv – masa vaporilor

ma – masa aerului uscat

pv – presiunea parţială a vaporilor de apă

T – temperatura absolută

Umiditatea relativă

Umiditatea relativă reprezintă raportul dintre masa vaporilor de apă conţinuţi într-

un m3 de aer umed şi masa vaporilor de apă (V*ps) corespunzătoare saturaţiei, la aceeaşi

temperatură şi presiune:

s

v

s

v

v

v

s

v

pp

pTR

TRp

===*

**ρ

ρϕ (2.4)

Senzorul pentru măsurarea umidităţii relative a aerului este de tip Vaisala

(HUMICAP 180) şi face parte din modulul PTU. Aparatele clasice, cu citire directă

folosite pentru măsurarea umidităţii aerului, sunt psihrometrele şi higrometrele [21].

5) Determinarea parametrilor meteorologici în exteriorul clădirilor

Pentru determinarea acestor parametri sunt studiaţi factorii meteorologici ce

influenţează transportul, dinamica poluanţilor precum şi transferul de energie şi masă prin

anvelopă, acest lucru putând să fie realizat prin intermediul staţiei meteorologice mobile

(Fig.II.8). În acest studiu, parametrii urmăriţi au fost temperatura, umiditatea relativă a

aerului exterior şi radiaţia solară, totală şi difuză, măsurătoarea acestora realizându-se cu un

pas de 10 min.

58

Fig.II.8 Staţie meteorologică mobilă [21]

Radiaţia solară

Ramura meteorologiei, care se ocupă cu măsurarea intensităţii fluxurilor radiative

absorbite, difuzate, reflectate, directe, globale dar şi a bilanţului radiativ se numeşte

actinometrie.

Radiaţia globală orizontală este radiaţia solară totală terestră care se obţine prin

însumarea radiaţiei solare directe şi a radiaţiei solare difuze.

Insolaţia se defineşte ca fiind cantitatea de radiaţie solară ce cade direct pe o unitate

de suprafaţă orizontală, la un anumit nivel, sau cantitatea de radiaţie solară globală ce cade

pe o suprafaţă oarecare [W/m2].

În literatura de specialitate, pentru măsurarea radiaţiei solare, se întâlneşte unitatea

de măsură cal/cm2 sau langley (ly)

1 cal/cam2 = 1 ly ; 1 ly = 0,0697 W/cm2 (2.5)

Senzorul, folosit pentru măsurarea radiaţiei solare globale, este de tip FLA613GS.

Pentru determinarea intensităţii radiaţiei solare difuze şi totale se folosesc piranometrele

[21].

Pentru măsurarea radiaţiei difuze se folosesc diverse tipuri de dispozitive, dar cel

mai des întâlnit este piranometrul cu inel de umbrire, ce nu lasă să treacă radiaţia directă

astfel încât senzorul măsoară doar radiaţia difuză [73].

II.2.2 Măsurarea temperaturii

Măsurarea temperaturi se realizează cu ajutorul unei sonde de contact şi a unei

console ce afişează datele măsurate, cu scopul verificării temperaturilor înregistrate de

către senzorii instalaţiei de pompă de căldură. Astfel, se vor identifica valorile setate şi cele

59

înregistrate la momentul realizării măsurătorilor pe display-ul pompei de căldură. Pentru ca

desfăşurarea măsurătorilor, pentru rezervoarele de stocare, să se desfăşoare la un nivel

optim, pompa de căldură va fi oprită.

Pentru obţinerea unor măsurători cât mai precise, se recomandă tararea sondei de

temperatură (punerea în parametrii optimi de funcţionare a unui aparat, instrument,

dispozitiv). În cazul de faţă, s-a realizat o verificare pe un stand experimental existent ale

cărui instrumente de măsură erau deja etalonate.

Se vor realiza o serie de măsurători la diferite nivele ale celor două rezervoare

(Tab.II.2; Tab.II.3) şi se va nota distanţa între aceste puncte, pentru a putea obţine date

despre distribuţia căldurii în unităţile de stocare.

Rezervorul de stocare, destinat pentru înmagazinarea căldurii, conţine o membrană

de separaţie destinată unei distribuţii optime a temperaturii pentru sistemul de preparare de

apă caldă şi pentru cel de încălzire [73].

Temperaturi înregistrate în Rezervorul de Căldură

Punct măsurat Tsetată

(oC)

Tcitită (oC) Tmasurată (oC) Distanţa între punctele

măsurate (cm)

(1) Superior 45,6 45

(2) Senzor ACM 50 44,3 44 34

(3) Mediu 28,7 29

(4) Senzor inc. 37 28 27,9

Tab.II.2 Temperaturi înregistrate în rezervorul de căldură [73]

Temperaturi înregistrate în Rezervorul de Frig

Punct măsurat Tsetată (oC) Tcitită (oC) Tmasurată (oC) Distanţa între punctele

măsurate (cm)

(1) Superior 18 87

(2) Senzor frig 16 16.3 16.1 20

(3) Inferior 15.9

Tab.II.3 Temperaturi înregistrate în rezervorul de frig [73]

60

În urma citirilor temperaturilor înregistrate, se observă existenţa unui alt set de

valori diferit Tsetată şi Tcitită care reprezintă valorile de funcţionare în regim autonom în

funcţie de Texterioară .

Durata de măsurare, pentru fiecare valoare, este de aproximativ 5 minute pentru

obţinea unei valori stabilizate a temperaturii [73].

II.2.3 Măsurarea debitelor

Instalaţia SITRANS FUS1020(Fig.II.9), neintruzivă, utilizată pentru măsurarea

debitului, este compusă dintr-un sistem de senzori şi o unitate de control, ce poate fi

conectată uşor la calculator. Astfel, datele înregistrate se pot stoca şi accesa cu uşurinţă.

Tehnologia Clamp-on bazată pe fluxul de ultrasunete ofertă mai multe avantaje faţă

de alte metode de măsurare a debitului. Traductorii se montează rapid şi uşor pe partea

exterioară a conductei, ceea ce le face alegerea perfectă pentru aplicaţii diverse.

În acelaşi timp cu utilizarea tehnologiei WideBeam, sistemul clamp-on a dovedit

performanţe deosebite atât pe teren cât şi în laborator. Avantajele tehnologiei menţionate sunt:

o Măsurarea a oricărui tip de lichid şi gaz;

o Performanţă neafectată de vâscozitate, de dimensiunea conductei şi de conţinut de aer;

o Compensare automată de temperatură şi corecţia punctului de zero;

o Flexibilitate – instalarea pe ţeavă de dimensiuni de până la DN9140 (360 ")

Fig.II.9 Instalaţia SITRANS FUS1020 [21]

Prin intermediul instalaţiei SITRANS FUS1020, s-au efectuat măsurători de debit

pe circuitul forajelor, valorile măsurate s-au înscris în Tab.II.4, iar în Fig.II.10 s-a

61

reprezentat grafic variaţia debitului în funcţie de timp. S-au efectuat, de asemenea,

măsurători pe circuitul prioritar ACM (Tab.II.5; Fig.II.11) şi pe circuitul de încălzire/răcire

(Tab.II.6; Fig.II.12; Fig.II.13). Valorile măsurate sunt înregistrate în Tab.II.5 şi Tab.II.6,

iar reprezentările grafice se regăsesc în Fig.II.11, Fig.II.12 şi Fig.II.13. [73]

Valori măsurate pe conducta de ducere a celor 4 foraje citite pe debitmetrele instalate

F1 10 l/min F2 10 l/min F3 16 l/min F4 8 l/min

Tab.II.4 Valori afişate de debitmetrele instalate pe conducta de ducere a celor 4 foraje [73]

Măsurătorile efectuate, mai puţin cele de debit, prezentate anterior, au fost utilizate

pentru validarea modelului informatic şi sunt utilizate în capitolul următor.

Perioada de măsurare a fost redusă deoarece instalaţia de încălzirea a facultăţii care

funcţionează în paralel cu pompa de căldură trebuia să fie oprită (altfel ar fi fost dificil să

se realizeze un bilanţ termic pentru cele două instalaţii de încălzire care funcţionează în

acelaşi timp). Astfel, necesarul energetic a fost acoperit doar prin intermediul pompei de

căldură (pentru o temperatură ridicată stabilită, pentru care încălzirea să fie necesară şi

pompa de căldură să intre în funcţiune).

Fig.II.10 Debitul măsurat pe circuitul sursei reci (foraje) [73]

62

Sursa rece (distribuitor) Circuitul prioritar ACM

Timp (s) Debit (l/min) Timp (s) Debit (l/min) 0 44.44 0 3.24 3 44.29 3 6.74 6 44.16 6 8.66 9 44.18 9 25.89

12 44.27 12 31.28 15 44.58 15 26.91 18 44.37 18 19.2 21 44.41 21 26.63 24 44.49 24 31 27 44.37 27 40.07 30 44.44 30 39.4 33 44.38 33 37.69 36 44.24 36 39.23 39 44.68 39 38.36 42 44.33 42 33.09 45 44.39 45 28.27 48 44.4 48 31.77 51 44.14 51 29.67

Tab.II.5 Valori ale debitelor măsurate pe circuitul sursei reci şi pe circuitul prioritar ACM [73]

Fig.II.11 Debitul măsurat pe circuitul prioritar ACM [73]

63

Încălzire pardoseală în amonte de V3V-circulatie Timp (s) Debit (l/min) Timp (s) Debit (l/min)

0 20.53 0 14.2 3 20.72 3 13.59 6 20.58 6 14.1 9 20.41 9 13.27 12 20.52 12 12.95 15 20.59 15 13.39 18 20.47 18 14.15 21 20.45 21 14.46 24 20.4 24 13.89 27 20.45 27 14.44 30 20.57 30 14.87 33 20.67 33 13.69 36 20.74 36 12.55 39 20.53 39 13.27 42 20.45 42 14.37 45 20.46 45 15.77 48 20.55 48 16.6 51 20.59 51 17.45 54 20.4 54 16.46 57 20.42 57 15.65 Tab.II.6 Debite măsurate pe circuitul de încălzire [73]

Fig.II.12 Debite măsurate pe circuitul de încălzire

pentru o deschidere variabilă a V3V-recirculare [73]

64

Fig.II.13 Debite măsurate pe circuitul de încălzire

pentru o deschidere maximă a V3V-recirculare [73]

65

CAPITOLUL III. Modelul informatic

Acest capitol a fost realizat şi dezvoltat în cadrul stagiului de cercetare efectuat la

Institut National des Sciences Appliquées (INSA) din Lyon în perioada martie-iunie 2010.

III.1 Principiul şi obiectivul modelării

Acest studiu are o importanţă deosebită pentru găsirea de soluţii în utilizarea

surselor regenerabile pentru reducerea consumului de energie în clădiri. Prin intermediul

programului de simulare TRNSYS, s-a realizat un model de bază cu un sistem de pompă

de căldură asistată de un captor solar utilizat pentru o clădire tip. Acest model reprezintă

punctul de plecare în evaluarea sistemului pompă de căldură pentru o serie de condiţii

diferite, pentru a putea stabili o modalitate de implementare a acestor sisteme în diverse

tipuri de clădiri.

În acest capitol se realizează modelarea instalaţiei de pompă de căldură din cadrul

Laboratorului de Instalaţii (Fig.III.1). Acest model va reprezenta punctul de plecare al

cercetărilor viitoare pentru găsirea de soluţii de implementare a unui astfel de sistem într-o

clădire. Prin intermediul TRNSYS, toţi parametrii ce descriu funcţionarea unui sistem de

pompa de căldură, pot fi evaluaţi individual oferind posibilitatea de a observa influenţa

fiecăruia, în parte, asupra sistemului.

Pentru a putea realiza modelarea instalaţiei de pompă de căldură, s-a recurs la o

soluţie pas cu pas, adică s-a plecat de la un model simplist care a fost treptat îmbunătăţit

până la obţinerea rezultatului dorit.

Astfel, în prima etapă a fost realizat un sistem ce cuprinde clădirea, datele

meteorologice, rezervorul de căldură, sistemul de captare solar şi sistemul de preparare apă

caldă menajeră (ACM). Aici a fost stabilită legătura între mediul exterior şi mediul

interior, precum şi funcţionarea sistemului de panouri solare şi a preparării de ACM.

În etapa a doua a fost adăugată şi pompa de căldură, urmărindu-se modul de

încălzire şi răcire. De asemenea, s-a adăugat un rezervor destinat stocării frigului şi s-a

realizat un sistem de vane ce asigură legătura cu cele doua rezervoare. Astfel, s-a analizat

cantitatea de energie ce poate fi extrasă pentru încălzire şi pentru răcire ţinând cont de

capacitatea pompei de căldură şi de epuizarea termică a solului. Singurele elemente de

66

automatizare sunt două controlere histerezis, destinate punerii în funcţiune a pompei de

căldură pentru încălzire şi respectiv răcire [74].

Fig.III.1 Modelul TRNSYS al sistemului de pompă de căldură [74]

În partea a treia s-a realizat automatizarea completă a pompei de căldură şi

automatizarea destinată distribuţiei energiei stocate în rezervoare. Datorită faptului că pompa

de căldură are o funcţionare complexă, automatizarea a fost realizată în două etape pentru a

putea ţine cont mai uşor de toţi factorii ce asigură funcţionarea întregului sistem. De asemenea,

nu trebuie uitată importanţa controlului asupra distribuţiei energiei termice către utilizator.

67

De-a lungul celor trei etape s-a urmărit atât modul de funcţionare al subansamblelor

instalaţiei de pompă de căldură cât şi aportul energetic realizat de acestea. Astfel, s-a putut

observa mai uşor influenţa fiecărui modul în parte.

Această oportunitate a analizei amănunţite a sistemului de pompă de căldură s-a

datorat flexibilităţii programului TRNSYS, ceea ce are un impact major în evaluarea

corectă a tuturor parametrilor 74.

III.2 Modelarea unui sistem de pompă de căldură

III.2.1 TRNSYS

TRNSYS-ul este un program de simulare cu o structură modulară, a cărei natură oferă

acestui program o foarte mare flexibilitate şi facilitează adăugarea de programe de modelare

matematică care nu sunt incluse în librăriile standard ale TRNSYS-ului. TRNSYS-ul, este de

asemenea, utilizat pentru analiza sistemelor a căror evoluţie depinde de timp [117].

Tehnica de modulare a simulării reduce cu mult complexitatea sistemului simulat,

deoarece o problemă foarte mare poate fi redusă într-o serie de probleme mai mici, fiecare

putând fi mai uşor rezolvată. În plus, se observă faptul că multe dintre componente se pot

regăsi şi în alte sisteme, de aceea sunt descrise sub forma generală, lucru ce denotă că pot fi

utilizate cu mici modificări sau direct.

Utilizarea TRNSYS permite interconectarea componentelor sistemului în aproape orice

formă şi rezolvarea diferitelor ecuaţii, facilitând transferul de informaţii de la o componentă la

alta, ceea ce face ca problema simulării sistemului să se reducă la identificarea tuturor

componentelor şi descrierea matematică a acestora.

Din moment ce componentele au fost identificate şi se cunoaşte descrierea lor

matematică, este necesar să se realizeze conectarea componentelor, obţinându-se, astfel, un

flux informaţional al diagramei. Acesta este o reprezentare schematică a transferului de

informaţie ce se realizează între componente sistemului. Fiecare informaţie, ce este primită sau

transmisă de o componentă, este reprezentată grafic printr-o săgeată (de la output-ul

componentei anterioare la imput-ul componentei următoare) [120].

Pentru a realiza o diagramă de funcţionare, trebuie să cunoaştem ce tipuri de flux

de informaţie pot fi regăsite într-o componentă. Astfel, se observă două mari grupe:

informaţia primită şi informaţia transmisă.

68

Informaţia transmisă - OUTPUT este informatia de ieşire şi poate fi preluată

de o componentă intermediară sau poate fi transmisă direct utilizatorului prin intermediul

unei componente finale (Printer, Online Plotter), sub forma de diagramă sau tabel.

Informaţia primită:

– INPUT – informaţia de intrare, reprezintă informaţia de ieşire (OUTPUT) a

componentei anterioare, aceste informaţii de intrare (INPUT) sunt cele ale

căror valori pot varia (în sistem tranzitoriu);

– PARAMETERS (parametri) – elementele care rămân constante pe parcursul

întregii simulări;

– TIME (variabilă de timp) – nu intră în categoria parametrilor şi este evaluată

automat în structura componentei din care face parte [120].

Componente TRNSYS

TESS Component Libraries - Thermal Energy Systems Specialists, Madison, Wisconsin.

TESS Component Libraries conţine peste 200 de componente TRNSYS. Fiecare

dintre componente are un format compatibil cu Simulation Studio, dar pot fi utilizate şi în

alt mediu de simulare. Sursa codului este oferită pentru fiecare dintre aceste componente

astfel încât să poată fi repede şi uşor modificate dacă utilizatorul doreşte acest lucru.

Fiecare componentă a librăriei conţine proiecte demonstrative realizate de

Simulation Studio pentru a evidenţia funcţiile de bază ale acestora.

Ţinând cont de multitudinea de componente implicate în această modelare

TRNSYS, se vor fi evidenţia doar câteva dintre cele ce au un impact major asupra

sistemului [120].

Type 56

Având în vedere complexitatea unei clădiri multizone, parametrii type-ului 56, nu

sunt definiţi direct în fişierul de intrare TRNSYS. În schimb sunt atribuite două fişiere ce

conţin informaţiile necesare pentru descrierea clădirii (*. BLD) şi funcţia de transfer

ASHRAE pentru pereţi (*. TRN).

TRNBuild este un program utilizat pentru a introduce date de intrare pentru

clădirile multizone, care permite să specificarea structurii detaliate a clădirii, ca şi tot ceea

ce este necesar pentru a simula comportamentul termic al clădirii, cum ar fi proprietăţile

optice ale ferestrei, programul de încălzire şi răcire etc.

69

TRNBuild creează fişiere cu extensia (*.bui) ce includ toate informaţiile necesare

simulării clădirii [120].

Type 109-TMY2

Această componentă are scopul principal de a citi date meteorologice, la intervale

de timp regulate dintr-un fişier de date, convertindu-le în sistemul de unităţi dorite,

generând valori ale radiaţiei solare directe şi difuze pentru un număr arbitrar de suprafeţe

cu orientare şi înclinare arbitrară.

Typical Meteorological Year (TMY), precursor al lui TMY2, a fost realizat pentru

a furniza date climatice orare sub formă de fişiere uşor de gestionat.

TMY2 conţine fişiere climatice din 239 locaţii din SUA şi a fost realizat pe baza

datelor din perioada 1961-1990, de către National Solar Radiation Data Base (NSRDB) şi

National Renewable Energy Laboratory's (NREL's) - Analytic Studies Division [120].

Type 668

Acestă componentă modelează o pompă de căldură cu o singură treaptă [119].

Modurile de funcţionare ale pompei de căldură sunt cedare de energie (răcire) sau captare

de energie (încălzire) [118]. Acest model se bazează pe datele furnizate de utilizator,

fişierele externe asociate acestei componente conţinând date referitoare la capacitatea

termică de încălzire şi de răcire, precum şi valori corespunzătoare consumul electric. Type

668 operează în funcţie de valorile semnalului de control ce poate depinde de temperatură [119].

Type 557

Această subrutină modelează un schimbător de căldură vertical care interacţionează

termic cu solul. Schimbătorul modelat este unul subteran, are formă de tub U sau tub

concentric şi este cel mai frecvent utilizat în aplicaţii ca sursă termică a pompei de căldură

geotermice. Fluidul transportat prin schimbătorul de căldură îngropat cedează căldură sau

captează căldura solului, în funcţie de temperatura sa şi cea a solului [116].

Type 534

Această subrutină modelează un rezervor cu volum constant ce conţine un lichid de

umplere şi schimbătoare de căldură scufundate [116]. Rezervororul este unul cilindric, cu o

configuraţie verticală. Lichidul din rezervorul de stocare interacţionează cu fluidul din

schimbătoarele de căldură (prin transfer de căldură cu schimbătoarele de căldura imersate),

70

cu mediul înconjurător (prin pierderi termice din partea de sus, de jos şi muchii), precum şi

cu până la două fluxuri de fluid care intră şi ies din rezervorul de stocare [77]. Rezervorul

este împărţit în straturi izoterme de temperatură (la modelul de stratificare observat în

rezervoare de stocare), în cazul în care utilizatorul controlează gradul de stratificare prin

stabilirea numărului de "noduri".

Fiecare strat are un volum constant şi se presupune a fi izotermic, interacţionând

termic cu nodurile de deasupra şi dedesubt, prin conducţie între noduri şi prin mişcări de

fluide (forţat de circulaţia fluxului de intrare sau de stratificarea naturală datorată

inversiunilor de temperatură din rezervor) .

Utilizatorul are posibilitatea de a specifica unul din cele patru tipuri diferite ale

schimbătorului de căldură scufundat (sau dacă HX nu este necesar): tub orizontal, tub vertical,

tub serpentina sau tub răsucit. Căldura auxiliară poate fi specificată individual pentru fiecare

nod izoterm. Modelul consideră, de asemenea, proprietăţile fizice ale lichidului ca fiind

dependente de temperatură pentru apa pură, etilenglicol, o soluţie de apă sau un propilen-glicol

atât pentru rezervor, cât şi pentru fluidul schimbătorului de căldură [116].

Type 4e

Performanţa termică, a unui rezervor de stocare a energiei sensibile ce conţine un

fluid de umplere, supus unei stratificări termice, poate fi modelat presupunând că

rezervorul este format din N segmente (N ≤ 15) complet amestecate şi egale ca volum.

Gradul de stratificare este determinat de valoarea lui N. Dacă N = 1, rezervorul de stocare

este modelat ca un rezervor complet amestecat şi nu este posibilă producerea de efecte de

stratificare. Gurile de admisie pot fi fixe sau variabile, intrarea sau ieşirea putând

corespunde unor zone izotermice diferite. De asemenea, poate fi definită banda neutră de

temperatură pentru termostate de radiator şi coeficienţii de incrementare a pierderilor de

căldură [116].

Type 1b

Această componentă modelează performanţele termice ale unei varietăţi de

componente. Matricea totală a colectorului poate fi constituită din colectoare conectate în

serie şi în paralel. Performanţa termică a matricei totale a colectorului este determinată de

numărul de module în serie şi caracteristicile fiecărui modul. Utilizatorul trebuie să

furnizeze rezultatele de la testele standard de eficienţă, raportate la temperatura lichidului,

minus temperatura ambiantă la radiaţii (∆T / IT). Temperatura lichidului poate fi o intrare,

71

o medie sau o temperatură de ieşire. Modelul presupune că eficienţa ∆T / IT poate fi

modelată ca o ecuaţie pătratică [120].

III.2.2 Modelarea sistemelor

1) Sistem de captare solar şi modul de încălzire şi preparare apă caldă menajeră

Descrierea modelului

Acest model prezintă primul pas al modelarii TRNSYS şi include clădirea

analizată, în cazul nostru Laboratorul de Instalaţii, ce este cuplată cu fişierul meteo,

sistemul solar, modulul de preparare apă caldă şi de asemenea rezervorul de stocare

termică pentru căldură şi prepararea apei calde menajere.

La începutul realizării acestui sistem, TRNSYS-ul oferă posibilitatea utilizatorului

de a crea legătura între fişierul meteo şi clădire într-un mod facil, permiţând introducerea

de elemente ce influenţează proprietăţile aerului interior. Aici se poate aminti radiaţia

solară şi unghiul de incidenţă, umiditatea relativă şi temperatura aerului, precum şi un

program de funcţionare a iluminatului interior. Procesul acesta de creare a legăturilor între

mediul exterior şi cel interior, este compus din 10 paşi uşor de realizat. Se începe cu

alegerea proiectului de multi-zonă, apoi se definesc numărul de zone şi dimensiunile

acestora, urmând ca, mai apoi, să se definească orientarea, infiltraţiile de aer, existenţa

ventilării, încălzirii şi a răcirii, aporturile de căldură şi umiditate, precum şi modalitatea de

iluminat interior. Astfel, prin intermediul acestei proceduri de simplificare a legăturii între

elementul ce defineşte condiţiile meteo şi elementul ce defineşte clădirea, se realizează o

economie de timp evitându-se, totodată, posibilitatea omiterii unor elemente ce definesc

aceasta legătură. În concluzie, valorile de intrare, referitoare la condiţiile meteo la nivelul

clădirii, sunt satisfăcute.

Astfel, se poate trece la realizarea modelării clădirii utilizându-se TRNBuild, care

este un program specializat asociat TRNSYS-ului pentru definirea zonelor ce

caracterizează clădirea.

Se începe cu o definire a orientării, a intrărilor şi ieşirilor clădirii. Apoi se stabileşte

numărul de zone şi se trece la realizarea acestora. În primul rând, pentru a respecta o logică

în efectuarea acestei activităţi, se definesc tipurile de pereţi ce vor fi folosite, urmând ca,

mai apoi, să se definească suprafaţa, orientarea şi categoria fiecărui perete în parte. Aici se

72

observă multitudinea de posibilităţi în definirea unui perete. După ce se încheie această

etapă, se pot modela suprafeţele vitrate a căror dimensiune nu poate fi mai mare decât a

peretelui pe care sunt amplasate. Ca şi în cazul pereţilor, se conferă utilizatorului

TRNBuild posibilitatea de a realiza propriul tip de fereastră.

Tot în cadrul definiri anvelopei unei zone, trebuie amintit faptul că există

posibilitatea integrării planşeului destinat încălzirii sau plafonului destinat răcirii.

În ultima parte a modelarii unei zone, pot fi definite condiţiile de încălzire, răcire,

ventilare, infiltraţiile, aporturile interioare de căldură şi umiditate, putând totodată să se

realizeze şi un program de funcţionare.

Pasul următor modelarii clădirii îl reprezintă stabilirea, definirea şi cuplarea

rezervorului de stocare termică pentru căldură şi preparare ACM la sistemul definit până în

momentul de faţă [75].

Soluţia aleasă în acest caz, pentru modelarea rezervorului, este type-ul 534

aparţinând librăriei TESS. În acest tip de rezervor de stocare termică, căldura poate fi

transferată în/şi din rezervorul de stocare prin trei fluxuri

unice de fluide. Două dintre fluxurile de lichid se

amesteca cu lichidul de stocare, în timp ce al treilea flux

transfera căldura de la sau înspre rezervorul de stocare

printr-un schimbător de căldură scufundat (Fig.III.2),

unde lichidul nu se amesteca cu lichidul de depozitare

[116].

Fig.III.2 Tub elicoidal HX [116]

Convecţia naturală a schimbătorului de căldură, cu lichidul din rezervorul de

stocare, poate fi o problemă greu de rezolvat, reprezentată de schimbul de căldură

lichid/masă ce trebuie să fie luat în considerare pentru aceste tipuri de sisteme. Problema

poate fi definită de două ecuaţii diferenţiale:

(3.1)

(3.2)

unde,

Qin,Tank şi Qout,Tank – flux de căldură la interiorul şi exteriorul rezervorului de stocare

Qin,HX şi Qout,HX - flux de căldură la interiorul şi exteriorul schimbătorului de

căldură din interiorul rezervorului de stocare [116].

73

Soluţia analitică are mai multe avantaje inerente asupra soluţiilor numerice. În

primul rând, subrutina rezolvă problema propriei sale matematici şi nu trebuie să se bazeze

pe metode numerice nestandardizate, care trebuie anexate la subrutină [14]. În acest fel,

subrutina poate fi importată în orice compilator FORTRAN, fără probleme. În al doilea

rând, unele dintre metodele de găsire a unei soluţii pentru acest sistem (în principal soluţii

numerice) sunt extrem de dependente de perioada de timp a simulării şi nu poate converge

în anumite circumstanţe, lucru frecvent întâlnit la sistemele utilizate pentru prepararea de

ACM [88]. Soluţia analitică este independentă de timp, dar are nevoie de o metodă

iterativă ce trebuie implementată în subrutină pentru a rezolva sistemul de ecuaţii

diferenţiale [14].

Pentru schimbătoare de căldură de formă elicoidală, tubul corespunzător

schimbătorului de căldură (poate exista mai mult de un tub) este împărţit în NHx noduri

de-a lungul direcţiei fluxului. Pentru fiecare nod, utilizatorul trebuie să stabilească

fracţiunea din lungimea ţevii schimbătorui de căldură din nodul respectiv şi să identifice

nodurile din rezervor în care acesta este complet localizat. Este posibil să existe mai mult

de un schimbător de căldură situat într-un tronson al rezervorului [116].

Coeficientul global de transfer termic al schimbătorului de căldură de la interiorul

rezervorului de stocare, poate fi exprimat astfel:

(3.3)

unde,

n = numărul de tuburi identice (ţevi);

ho = coeficientul de transfer termic la suprafaţa exterioară;

Ao = suprafaţa exterioară a nodului HX;

Rw = rezistenta termică la peretelui tubului;

hi = coeficientul de transfer termic la suprafaţa interioară;

Ai = suprafaţa interioară a nodului HX.

(3.4)

unde,

Nud = numărul Nusselt în funcţie de diametrul tubului;

k = coeficientul de transfer termic;

do = diametrul exterior al ţevii [116].

74

Sistemul de captare solar

Sistemul de captare solar (Fig.III.3) este format dintr-o pompă de circulaţie, un

captor solar, un rezervor de stocare şi un controler ce comanda pompa de circulaţie.

Condiţia de funcţionare este ca temperatura la ieşire din captorul solar să fie mai mare

decât temperatura din rezervorul de stocare [74].

Fig.III.3 Schema funcţională a sistemului de captare solar [74]

În acest sistem s-au urmărit modul de funcţionare al instalaţiei şi aportul termic

realizat (Fig.III.4; Fig.III.5).

Fig.III.4 Aport solar [74]

75

Fig.III.5 Variaţia temperaturii la ieşirea din captorul solar [74]

Staţie de preparare a apei calde menajere

Modulul de preparare a apei calde menajere (ACM) (Fig.III.6) este compus

dintr-un rezervor de stocare de unde este extrasă apa caldă prin intermediul unei pompe de

circulaţie (PC 3). Apa din rezervor ajunge într-un schimbător de căldură unde cedează

căldura apei reci, care este adusă cu ajutorul unei pompe de circulaţie (PC_AR).

Automatizarea acestui modul este realizat prin intermediul unui program de consum

corelat cu un controler histerezis de temperatură.

Fig.III.6 Schema funcţionala pentru preparare ACM [74]

76

Pentru acest modul s-au urmărit funcţionarea şi aportul termic realizat la prepararea

de apă caldă menajeră (Fig.III.7; Fig.III.8; Fig.III.9).

Fig.III.7 Prepararea ACM [74]

Fig.III.8 Temperatura ACM [74]

77

Fig.III.9 Aport căldură în schimbătorul de preparare ACM [74]

III.3 Validarea modelului

III.3.1 Generalităţi

După cum este bine cunoscut, fizica, una din ştiinţele exacte, operează cu noţiuni şi

mărimi exprimabile cantitativ şi, ca urmare, mai mult sau mai puţin precis determinabile. O

operaţie fundamentală în fizică este aceea de măsurare. Atunci când avem la dispoziţie un

etalon, se poate compara mărimea de măsurat cu etalonul (cele două mărimi comparate

având aceeaşi natură), iar raportul, v, dintre mărimea de măsurat, M, şi cea aleasă ca

etalon, Me, se numeşte valoarea numerică a mărimii măsurate:

eMM

v = (3.5)

Operaţia de măsurare prin comparare cu un etalon se numeşte măsurare directă.

Măsurarea directă este, însă, o operaţie destul de puţin utilizată în practică, deoarece

construirea unui etalon este, în general, dificilă şi, de multe ori, imposibilă [57]. Mult mai

frecvent vom întâlni în laborator operaţia de măsurare indirectă, în care o mărime de

interes este măsurată plecând de la o relaţie de calcul, în care intervin o serie de mărimi

fizice, care pot fi măsurate direct. Câteva exemple, în acest sens, ar fi: măsurarea

constantei elastice a unui resort, densitatea unui corp, momentul de inerţie al unui rigid,

viteza sunetului în diverse medii, etc. [58].

78

Experienţa arată că o măsurătoare repetată în aceleaşi condiţii conduce, de obicei,

la rezultate care diferă între ele. Aceasta dovedeşte că fiecare măsurătoare este însoţită de

erori de măsură. Se numeşte eroarea de măsură diferenţa x - xa dintre rezultatul măsurării,

x, şi valoarea adevărată a mărimii măsurate, xa (a cărei existenţă este postulată) [63].

Am putea, deci, afirma că fiecare mărime poate fi evaluată cu o anumita precizie.

Precizia unei măsurători depinde de:

a) instrumentul şi metoda folosite în efectuarea măsurătorilor;

b) variaţiile spaţiale sau temporale ale mărimii de măsurat;

c) numărul de măsurători efectuate.

Metodele de prelucrare a datelor experimentale urmăresc, pe de o parte, aflarea

unei mărimi cât mai apropiate de cea reală, iar pe de altă parte, găsirea unui interval de

valori, în care să se găsească cu siguranţă valoarea adevărată a mărimii măsurate [62].

Noţiunile de bază în acest context sunt acelea de eroare reală (definită ca diferenţa dintre

valoarea măsurata şi cea reală), eroare absolută (care este modulul diferenţei menţionate

anterior) şi eroarea relativă. Eroarea reală (şi cea absolută) sunt exprimate în unităţile

mărimii măsurate; eroarea relativă, definită ca raportul dintre eroarea absolută şi valoarea

adevărată a mărimii măsurate, este o mărime adimensională [60].

III.3.2 Clasificarea erorilor de măsură

Erorile de măsură se pot clasifica în trei grupe:

1 ) erori grosolane

2 ) erori sistematice

3 ) erori accidentale (întâmplătoare)

Erorile grosolane apar în urma deteriorării condiţiilor principale ale măsurării.

Uneori, de exemplu, din cauza iluminării insuficiente a locului de muncă, se citeşte

indicaţia unui instrument ca fiind 3, în loc de 8. Alteori se pot folosi instrumente defecte

sau procedee de măsură care conduc la apariţia, în setul de date experimentale, a unor

valori care diferă foarte mult de majoritatea celorlalte date. Deosebit de grave, prin

consecinţele lor, pot fi erorile grosolane legate de utilizarea, în mod greşit, a unor

instrumente de măsură sau alte dispozitive experimentale (de exemplu motoare electrice,

alimentatoare cu energie electrică, etc.) la tensiuni de alimentare mai mari (220V) decât

cele nominale (6, 12 sau 24 V).

79

Caracteristica esenţială a erorilor grosolane este aceea că acestea implică valori

măsurate care se abat foarte mult de la o valoare medie. Erorile grosolane se elimină la

începutul operaţiei de analiză a rezultatelor şi, pe cât posibil, se înlocuiesc cu valori găsite

în urma altor măsurători, efectuate în condiţii corecte [59].

Erorile sistematice se datorează factorilor care acţionează în acelaşi mod în timpul

efectuării unor măsurători multiple, în aceleaşi condiţii experimentale, ale unei mărimi

fizice. Acestea sunt erorile care vor face rezultatele noastre diferite faţă de valorile exacte

cu discrepanţe reproductibile. Exemple tipice de cauze, ce determină apariţia unor erori

sistematice, sunt: poziţionarea incorectă a instrumentului de măsură faţă de corpul de

măsurat, folosirea acestuia în alte condiţii decât cele în care s-a făcut etalonarea,

insuficientă pregătire a metodei de măsură, etc.

Erorile sistematice sunt periculoase pentru experimentator, deoarece ele sunt numai

prin lipsă sau numai prin adaos şi, de aceea, sursa şi efectul lor rămân, de multe ori,

necunoscute. De exemplu, dacă se măsoară modulul de elasticitate al unui material,

folosindu-se metoda dinamică, adică folosind relaţia ρ/Ev = (unde v este viteza unei

unde longitudinale prin materialul probei, iar ρ - densitatea acesteia), dacă materialul nu

este omogen ( ρ variază de la punct la punct ), rezultatul va fi afectat de o eroare

sistematică. O eroare sistematică va apărea şi dacă, înainte de începerea măsurătorilor, nu

s-a efectuat corecţia de zero a instrumentului de măsură.

Exactitatea unui experiment este, în general, dependentă de modul în care putem

controla sau compensa erorile sistematice.

O cale de identificare a erorilor sistematice o constituie determinarea aceleiaşi

mărimi fizice folosind metode diferite [59].

Erorile accidentale apar din cele mai diverse cauze. De multe ori acestea sunt atât

de mici, încât efectul lor nu poate fi sesizat (variaţia temperaturii în procesul de măsură,

modificări ale legii de mişcare din cauza unor curenţi slabi de aer, etc.).

Eliminarea totală a erorilor accidentale nu este posibilă, însă, folosind metodele

teoriei probabilităţilor şi statisticii matematice se poate evalua efectul lor asupra mărimii

măsurate. Precizia unui experiment depinde de modul favorabil în care se poate depăşi sau

analiza situaţiile care conduc la apariţia erorilor accidentale. O exactitate dată implică o

precizie cel puţin la fel de bună a măsurătorilor şi este, într-o anume măsură, dependentă

de erorile accidentale [59].

80

Se poate demonstra că, dacă măsurătorile se efectuează în aceleaşi condiţii,

frecvenţa maximă de apariţie a unor mărimi într-un set de determinări experimentale este

maximă în cazul acelor mărimi care diferă foarte puţin de valoarea medie a tuturor

măsurătorilor; există din ce în ce mai puţine valori care diferă din ce în ce mai mult de

valoarea medie (atât prin lipsa, cât şi prin adaos). Dacă erorile accidentale rezultă din

folosirea unor instrumente puţin precise sau care nu impun încredere, aceste erori pot fi

diminuate prin folosirea instrumentelor adecvate. Dacă erorile accidentale rezultă din

fluctuaţiile statistice datorate numărării a prea puţine evenimente, utilizarea unor

instrumente mai precise nu se justifică; calea de urmat este, în acest caz, creşterea

numărului de evenimente măsurate [59].

Într-un grafic, în care se reprezintă pe abscisă, în ordine crescătoare, valorile

numerice obţinute în urma efectuării (în aceleaşi condiţii) a mai multor măsurători (afectate

de erori accidentale), iar pe ordonata frecvenţa de apariţie a diferitelor valori în setul de

rezultate, se constată o dependenţă grafică denumită ''clopotul lui Gauss'' (Fig.III.10). O

astfel de dependenţă corespunde legii de distribuţie normală a mărimilor aleatorii.

Fig.III.10 Clopotul lui Gauss

Pentru descrierea împrăştierii datelor faţă de valoarea medie se folosesc cel mai

frecvent noţiunile de dispersie şi abaterea medie pătratică. Dispersia D(x) se defineşte prin

relaţia:

∑=

−=n

ii xx

nxD

1

2)(1

)( (3.6)

Valoarea )(xD=σ se numeşte eroare medie pătratică:

∑=

−==n

ii xx

nxD

1

2)(1

)(σ (3.7)

81

Dispersia reprezintă mărimea cea mai utilizată pentru a caracteriza împrăştierea

măsurătorilor unor mărimi fluctuante. Frecvenţa de apariţie a unei anumite valori, în setul

de determinări experimentale, are semnificaţia probabilităţii de apariţie a acelei valori în

acel set. Pentru un număr infinit de măsurători, probabilitatea P(x) are expresia [59]:

exx

xP 22

)(

2

1)( σ

σπ

−−= (3.8)

III.3.3 Analiza rezultatelor obţinute

În cadrul laboratorului de instalaţii există un stand experimental compus dintr-o

pompă de căldură cu o putere de 15 kW pentru încălzire şi 18 kW pentru răcire, cuplată la

un rezervor de 1 m3, utilizat atât pentru perioada de încălzire, cât şi pentru perioada răcire.

Sistemul este destinat pentru satisfacerea parţială a necesarului termic a laboratorului de

instalaţii prin intermediul unui planşeu de încălzire. Acest sistem de încălzire în pardoseală

este reglat prin intermediul unei vane cu 3 căi. Măsurătorile efectuate în acest stand

experimental au fost comparate cu valorile obţinute de modelul informatic realizat în

TRNSYS. În Fig. III.11 este prezentată schema funcţională a instalaţiei pe care s-au

efectuat măsurătorile, iar în Fig. III.12 este prezentat modelul TRNSYS al acestei instalaţii.

Fig.III.11 Schema funcţională a instalaţiei pe care s-au efectuat măsurătorile [75]

Pe baza modelului informatic s-au făcut simulări ce au fost testate experimental.

Am detaliat, în mod special, automatizarea modelului din TRNSYS pentru a arăta

importanţa conducerii procesului

82

Automatizarea sistemului de pompa de căldură

Automatizarea este reprezentată de ansamblul format din senzori şi blocuri-

decizionale ce coordonează elementele cheie ale sistemului de pompă de căldură în funcţie

de condiţiile interioare şi exterioare.

Punerea în funcţiune a pompei de căldură este realizată prin intermediul unei funcţii

de comandă ce ia în considerare un program de funcţionare şi două controlere de tip

histerezis ce ţin cont de valorile înregistrate de o sondă de temperatură exterioară.

Astfel pentru regimul de încălzire controlerul generează un semnal de pornire (1) dacă

temperatura exterioară scade sub 14oC şi un semnal de oprire (0) în cazul în care valoarea

înregistrată de sonda depăşeşte 18oC. În cazul în care semnalul iniţial este 1 şi valoarea imediat

următoare indicată de senzor este mai mare de 18oC, atunci se generează imediat un semnal de

oprire. În cazul în care semnalul iniţial este 0 şi valoarea imediat următoare indicată de senzor

este mai mică de 14oC, atunci se generează imediat un semnal de pornire. Dacă valoarea

generată de controlerul histerezis şi programul de funcţionare este egală cu 1 atunci se

generează un semnal de pornire al pompei de căldură în regim de încălzire.

Astfel pentru regimul de răcire controlerul generează un semnal de pornire (1) dacă

temperatura exterioară creste peste 26oC şi un semnal de oprire (0) în cazul în care valoarea

înregistrată de sonda scade sub 22oC. În cazul în care semnalul iniţial este 1 şi valoarea

imediat următoare indicată de senzor este mai mică de 22oC, atunci se generează imediat un

semnal de oprire. În cazul în care semnalul iniţial este 0 şi valoarea imediat următoare

indicată de senzor este mai mare de 26oC, atunci se generează imediat un semnal de pornire.

Dacă valoarea generată de controlerul histerezis şi programul de funcţionare are valoarea 1

atunci se generează un semnal pornire a pompei de căldură în regim de răcire.

În acest context de utilizare a controlerelor histerezis trebuie reţinut faptul ca nu vor

există concomitent două semnale de pornire, pentru regimul de încălzire sau răcire, dar pot

apărea în acelaşi timp două semnale de oprire, corespunzător perioadei pentru care

funcţionarea pompei de căldură nu este necesară.

Semnalul de funcţionare al pompelor de circulaţie ce deservesc circuitul de la

pompa de căldură la rezervorul de stocare şi de la pompa de căldură la cele patru foraje

este acelaşi cu cel de pornire/oprire al pompei de căldură. Condiţia suplimentară faţă de

cea impusă pentru pompa de căldură este ca pompele vor funcţiona pe perioada regimul de

încălzire cât şi pe perioada regimul de răcire.

Funcţionarea pompei de circulaţie de pe circuitul de la rezervorul de stocare către

consumator este condiţionată de valoarea înregistrată de senzorul de temperatură aflat pe

83

tur cât şi de semnalul de funcţionare al celorlalte doua pompe de circulaţie. Atâta timp cât

temperatura pe tur va fi mai mică de 45oC, iar celelalte doua pompe de circulaţie vor

funcţiona, valoarea logică generată de blocul decizional va fi 1, altfel ea va fi 0.

Pentru automatizarea vanei de amestec s-a folosit un bloc decizional descris printr-

o serie de funcţii şi condiţii. Menţionez faptul că pentru cele două regimuri de încălzire şi

respectiv răcire avem condiţii diferite.

Astfel avem ca parametri: temperaturile interioare impuse pentru încălzire şi răcire

şi ca date de intrare: valorile temperaturii interioare şi semnalele de pornire/oprire pentru

regimul de încălzire şi cel de răcire.

Pentru regimul de încălzire se utilizează următoarea funcţie:

Fig.III.12 Modelul TRNSYS al instalaţiei pe care s-au efectuat măsurătorile [75]

Rezultatului obţinut i se impune condiţia de a avea o valoare pozitivă şi trebuie să

se încadreze în intervalul [0,1]. Dacă valoarea semnalului regimului de încălzire este 1,

atunci vana de amestec se va deschide proporţional cu valoarea funcţiei.

Pentru regimul de răcire se utilizează următoarea funcţie:

84

Rezultatului obţinut i se impune condiţia de a avea o valoare pozitivă şi trebuie să

se încadreze în intervalul [0,1]. Daca valoarea semnalului regimului de răcire este 1, atunci

vana de amestec se va deschide proporţional cu valoarea funcţiei.

Validarea modelului informatic

Datele de intrare au fost reprezentate de datele meteorologice (temperatura

exterioară şi radiaţia solară) şi proprietăţile termice ale clădirii. Pentru a putea avea

aceleaşi date de intrare pentru modelul informatic, fişierul, ce conţine informaţiile meteo, a

trebuit să fie modificat. În cazul clădiri TRNSYS-ul, oferă posibilitatea realizării unui

model foarte detaliat, lucru extrem de important.

Astfel, având aceleaşi date de intrare pentru modelul informatic şi pentru modelul

real, s-au realizat simulări pentru regimul de încălzire, cât şi pentru regimul de răcire, şi

ţinându-se cont de valorile măsurate au fost calculate erorile medii pătratice [75].

Fig.III.13 Regim de încălzire [75]

85

Fig.III.14 Regim de răcire [75]

Eroarea medie pătratică pentru regimul de încălzire:

σTint = 0,546 oC; σTpl = 1,366 oC

Eroarea medie pătratică pentru regimul de răcire:

σTint = 0,38 oC; σTpl = 0,88 oC

Măsurătorile au fost efectuate în data de 21 mai pentru intervalul orar 6.30-12.30

pentru a putea evalua funcţionarea pompei de căldură în regim de încălzire (Fig.III.13),

măsurătorile din data 5 iunie, în intervalul orar 11.30-16.30, au fost realizate pentru

evidenţierea regimului de răcire (Fig.III.14).

Astfel, s-a observat că, pentru regimul de încălzire, temperatura interioară nu este

influenţată de temperatura planşeului.

Acelaşi lucru se observă şi pentru regimul de răcire, temperatura interioară fiind

puternic influenţată de temperatura exterioară [75].

Măsurătorile parametrilor interiori şi exteriori au fost realizate simultan; efectul

inerţiei a fost luat în calculele efectuate în TRNSYS, dar probabil ca structura reală, plasată

direct pe pământ are un efect de stocare mai important.

86

CAPITOLUL IV. Studii de caz şi rezultate obţinute

Acest capitol prezintă o analiză complexă a rezultatelor obţinute în urma

simulărilor realizate pe baza modelului informatic al sistemului de pompă de căldură

realizat în TRNSYS.

Nr. Studiu Denumire studiu Clădire Perioad

a Parametru variat Regim

(încălzire/ răcire)

T_int

(h) T_ext Putere PAC (oC)

1

Influenţa zonei climatice în

regim de încălzire

Clădire 1 (Clădire

laborator)

ianuarie (0-720)

z1

Pac_100% încălzire 20.00 z2

z3

2

Influenţa puterii instalate a pompei de

căldură în regim de încălzire

Clădire 1 (Clădire

laborator)

ianuarie (0-720) z2

încălzire 20.00

Pac_50% Pac_100% Pac_150% Pac_max

3 Influenţa zonei

climatice în regim de răcire

Clădire 1 (Clădire

laborator)

iulie (4344-5064)

z1

Pac_100% răcire 26.00 z2

z3

4

Influenţa puterii instalate a pompei de

căldură în regim de răcire

Clădire 1 (Clădire

laborator)

iulie (4344-5064)

z2

răcire 26.00

Pac_50% Pac_100% Pac_150% Pac_max

5

Influenţa temperaturii interioare în

regim de

Clădire 1 (Clădire

laborator)

ianuarie (0-720) z2 Pac_100% încălzire

20.00

21.00

87

încălzire 22.00

6

Influenţa temperaturii interioare în

regim de răcire

Clădire 1 (Clădire

laborator)

iulie (4344-5064)

z2 Pac_100% răcire

24.00

25.00

26.00

7 Influenţa automatizării

Clădire 1 (Clădire

laborator)

ianuarie (0-720) z2 Pac_100% încălzire

utilizare

(20oC) neutilizare

(12oC)

8

Influenţa zonei climatice în

regim de încălzire

Clădire 2 (Clădire birouri)

ianuarie (0-720)

z1

Pac_100% încălzire 20.00 z2

z3

9

Influenţa puterii instalate a pompei de

căldură în regim de încălzire

Clădire 2 (Clădire birouri)

ianuarie (0-720) z2

încălzire 20.00

Pac_50% Pac_100% Pac_150% Pac_max

10 Influenţa zonei

climatice în regim de răcire

Clădire 2 (Clădire birouri)

iulie (4344-5064)

z1

Pac_100% răcire 26.00 z2

z3

11

Influenţa puterii instalate a pompei de

căldură în regim de răcire

Clădire 2 (Clădire birouri)

iulie (4344-5064)

z2

răcire 26.00

Pac_50% Pac_100% Pac_150% Pac_max

Tab.IV.1 Sintetizare studii de caz

88

Notă

z1 – zona climatică 1 (Constanţa)

z2 – zona climatică 2 (Bucureşti)

z3 – zona climatică 3 (Iaşi)

PAC 100% – PAC cu puterea instalată fiind cea reală

PAC 50% – PAC cu o putere instalată jumătate din cea reală

PAC 150% – PAC cu o putere instalată de 150% faţă de cea reală

PAC max – PAC cu o putere instalată egală cu valoarea maximă a necesarului de căldură a clădirii.

Se prezintă cele 11 studii de caz (Tab.IV.1) şi se face o analiză complexă a

rezultatelor obţinute în urma simulărilor efectuate pe baza modelului informatic al

sistemului de pompă de căldură realizat în TRNSYS.

În cele ce urmează se prezintă o analiză detaliată a studiilor de caz, structurate în

funcţie de parametrii variaţi : clădire, zona climatică, regim de funcţionare, program de

funcţionare şi temperatura interioară.

IV.1 Evaluarea aportului termic şi a consumului de energie

electrică al pompei de căldură pentru o clădire de laborator

Evaluarea aportului termic şi a consumului de energie electrică al pompei de

căldură pentru o clădire de laborator s-a realizat pe baza primelor 4 studii de caz efectuate,

ţinându-se cont de influenţa zonei climatice, puterii instalate a pompei de căldură şi a

regimului de funcţionare.

IV.1.1 Influenţa zonei climatice

Regim încălzire

Perioada analizată este luna ianuarie (31 zile) care este cea mai rece perioadă a

anului. Astfel, s-a putut observa, mai bine, modul în care instalaţia de pompă cu căldură

răspunde necesarului termic pe regimul de încălzire.

Dat fiind faptul că nu există o bază de date climate pentru zone climatice din

România, s-au utilizat datele climatice din TRNSYS pentru 3trei oraşe ce fac parte din

89

zone climatice diferite. Astfel, oraşul Constanţa reprezintă zona 1, Bucureşti zona 2 şi

respectiv Iaşi zona 3.

Clădirea 1, utilizată în aceste simulări, este caracterizată de o rezistenţă termică şi o

inerţie (cap.III.3.3) termică scăzută. Temperatura interioară este menţinută la 20oC prin

intermediul unui aport termic auxiliar reprezentat de o centrală termică (CT) cu un

randament η=90%.

Variaţia temperaturii planşeului

Variaţia temperaturii planşeului încălzitor (Fig. IV.1), pe parcursul simulării, este

corelată cu variaţia temperaturii exterioare. Diferenţa, care se observă pentru cele trei oraşe

reprezentând trei zone climatice, este datorată faptului că temperatura planşeului este

influenţată în mod indirect de temperatura exterioară. Temperatura planşeului este

influenţată de temperatura interioară, a cărei viteză de variaţie depinde de pierderile de

căldură prin anvelopa clădirii. Aceste pierderi depind, la rândul lor, de variaţia temperaturii

exterioare şi de caracteristicile termotehnice ale anvelopei. Astfel, când temperatura

exterioară este scăzută avem o temperatură scăzută la nivelul planşeului şi cu cât

temperatura exterioară creşte, cu atât va creşte şi temperatura planşeului. Se observă,

totuşi, o uşoară defazare în timp de câteva ore între maximele temperaturii exterioare şi

maximele temperaturii planşeului, ce se datorează inerţiei termice a planşeului încălzitor,

care în acest caz este destul de redusă.

Fig.IV.1 Variaţia temperaturii planşeului

90

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

Variaţia consumului pompei de căldură (Fig.IV.2), cât şi cea a întregului sistem

(Fig.IV.3), pentru cele trei oraşe ce fac parte din zone climatice diferite, sunt asemănătoare,

existând totuşi o diferenţă vizibilă între cele 3 curbe de variaţie. Acest lucru se datorează,

aşa cum am amintit mai sus, influenţei a doi factorii esenţiali: temperatura exterioară şi

caracteristicile termotehnice ale anvelopei.

Sunt reprezentate de asemenea curbele variaţiei COP-ului pompei de căldură

(Fig.IV.4) şi curbele variaţiei COP-ului sistemului (Fig.IV.5). Astfel, se remarcă corelaţia

dintre valorile consumului de energie şi valorile COP-ului sistemului. (vezi calcul

COP – I.2.3)

Variaţia temperaturii exterioare are rolul de arăta diferenţele climatice dintre cele

trei oraşe analizate şi de a scoate în evidenţă modul în care temperatura exterioară

influenţează, pe parcursul perioadei analizate, variaţia consumului auxiliar, consumul

electric al pompei de căldură fiind acelaşi pentru cele trei cazuri.

Se observă şi o serie de oscilaţii bruşte fapt datorat funcţionarii într-un regim

tranzitoriu care se manifestă pentru o valoare a temperaturii exterioare de aproximativ

Text=5oC până la ieşirea din regimul de încălzire.

Fig.IV.2 Variaţie consum pompă de căldură

91

Fig.IV.3 Variaţie consum sistem

Fig.IV.4 Variaţie COP pompă de căldură

92

Fig.IV.5 Variaţie COP sistem

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Deoarece diferenţa dintre sarcinile termice corespunzătoare celor 3 zone climatice

este destul de ridicată, iar energia termică recuperată din sol are valori relativ apropiate,

diferenţa dintre consumurile auxiliare (Fig.IV.6) ale celor trei zone va fi semnificativă.

Astfel, pentru oraşul Iaşi, corespunzător zonei climatice 3, cu temperaturile medii anule

cele mai scăzute, dintre zonele analizate, avem consumul auxiliar cel mai ridicat. Pentru

oraşul Bucureşti (zona 2), avem valori mai reduse, iar pentru oraşul Constanţa (zona 3),

aceste valori sunt, după cum se observă, cele mai scăzute.

Influenţa temperaturii exterioare asupra variaţiei consumului auxiliar este destul de

evidentă. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât energia termică, ce este introdusă

printr-o sursă auxiliară, este mai mare. Proporţionalitatea se păstrează pe întreg intervalul

de timp analizat şi se observă că, în cazul în care temperatura exterioară tinde spre valoarea

de 8-9oC, consumul auxiliar tinde spre zero. Aceasta se datorează faptului că necesarul de

încălzire este puternic influenţat de temperatura exterioară şi pentru că pompa funcţionează

deja la valori maxime, se modifică doar cantitatea de energie auxiliară introdusă, pentru a

putea menţine temperatura interioară la valoarea de confort prestabilită.

93

Fig.IV.6 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse de pompa de căldură

Aportul auxiliar de energie termică (Fig.IV.7; Tab.IV.2) este redus pentru zona 1,

mai ridicat pentru zona 2, iar pentru zona 3 cel mai mare, deoarece necesarul termic al

clădirii este cel mai scăzut în zona 1 şi cel mai ridicat în zona 3.

Fig.IV.7 Aport energie termică pentru încălzirea clădirii 1 pentru zone climatice diferite

94

Se observă o invers proporţionalitate între aportul pompei de căldură şi aportul de

energie termică auxiliară. De asemenea, cu cât necesarul termic este mai scăzut, cu atât

aportul termic de la pompa de căldură este într-o proporţie mai ridicată, necesitând un

aport auxiliar redus, şi cu cât necesarul termic creşte, cu atât aportul auxiliar va creşte.

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Aport auxiliar 85011 53 104006 58 116724 60

Aport PAC 76853 47 75807 42 79067 40 Tab.IV.2 Ponderea aporturilor de energie termică pentru încălzirea clădirii 1

pentru zone climatice diferite

În figura IV.8 sunt reprezentate procentajele relative ale consumurilor de energie

ale pompei de căldură (Fig.IV.8; Tab.IV.3). Pentru zona 1 energia electrică complementară

consumată are cea mai scăzută valoare, iar pentru zona 3 cea mai ridicată valoare, în acord

cu necesarul termic al clădirii pentru fiecare zonă climatică, cel mai scăzut în zona 1 şi cel

mai ridicat în zona 3.

Fig.IV.8 Consum energie electrică al pompei de căldură pentru încălzirea clădirii 1

pentru zone climatice diferite

95

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Consum complementar 94457 83 115562 86 129693 87

Consum PAC 19973 17 19205 14 19840 13

Tab.IV.3 Ponderea consumurilor de energie electrică al pompei de căldură

pentru încălzirea clădirii 1 pentru zone climatice diferite

Regim răcire

Acest studiu a fost realizat pentru luna iulie, cea mai caldă perioadă a anului.

Astfel, s-a putut observa mai bine modul în care instalaţia de pompă de căldură răspunde

necesarului termic pe regimul de răcire.

Dat fiind faptul că nu există o bază de date climatice accesibilă pentru localităţi din

România, s-au utilizat datele climatice din TRNSYS pentru trei oraşe ce fac parte din zone

climatice diferite, conform standardelor naţionale în vigoare. Astfel, oraşul Constanţa

reprezintă zona 1, Bucureşti zona 2 şi respectiv Iaşi zona 3.

Clădirea 1, utilizată în aceste simulări, este caracterizată de o rezistenţă termică şi o

inerţie termică scăzută (III.3.3). Temperatura interioară este menţinută la 26oC prin

intermediul unui aport termic auxiliar furnizat de o instalaţie frigorifică cu compresie

mecanică.

Variaţia temperaturii planşeului

Variaţia, care se manifestă asupra temperaturii planşeului (Fig.IV.9) pe parcursul

simulării este dată de funcţionarea combinată a pompei de căldură şi a pompelor de

circulaţie.

Încă de la început se observă o influenţă locală a zonei climatice asupra variaţiei

temperaturii exterioare din cele trei oraşe considerate: Constanţa, Bucureşti şi Iaşi, care

aparţin zonei 1, zonei 2 şi, respectiv, zonei 3. Cea mai mare amplitudine a curbei de

variaţie aparţine oraşului Bucureşti (zona 2), iar cea mai mică oraşului Constanţa (zona 1).

Acestea se datorează, pentru primul caz, influenţei oraşelor mari asupra climei locale şi

pentru al doilea caz, influenţei mări ce acţionează ca un rezervor termic de capacitate mare,

fapt ce împiedică apariţia unor diferenţe mari de temperatură între zi şi noapte. Pentru zona

3, reprezentată de oraşul Iaşi, variaţia temperaturii exterioare nu este influenţată de factorul

96

antropic, încadrându-se în climatul specific zonelor de deal cu o influenţă temperat

continentală. Această variaţie a temperaturii exterioare este extrem de importantă, deoarece

influenţează necesarul termic al clădiri şi dictează pornirea/oprirea pompei de căldură.

Dat fiind faptul că automatizarea întregului sistem, cât şi cea a pompei de căldură

influenţează cantitatea de energie termică recuperată din sol, există o legătură directă între

variaţia temperaturii exterioare şi variaţia temperaturii planşeului. Deoarece pornirea

pompei de căldură pentru regimul de răcire se realizează la o temperatură exterioară

Text=24oC şi oprirea la o temperatură exterioară Text=20oC, pe durata simulării avem

oscilaţii importante datorită alternanţei perioadei de funcţionare cu cea de nefuncţionare.

Curbele de variaţie ale planşeului pentru cele două zone vor fi în fază cu variaţia

temperaturii exterioare.

Fig.IV.9 Variaţia temperaturii planşeului in sezonul de răcire

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

În ceea ce priveşte variaţia consumului energetic al pompei de căldură (Fig.IV.10)

şi al întregului sistem (Fig.IV.11), amplitudinea variaţiei temperaturii exterioare are un rol

extrem de important, aşa cum am amintit în cadrul variaţiei temperaturii planşeului,

deoarece pornirea, respectiv oprirea pompei de căldură sunt legate de temperatura

exterioară.

97

Fig.IV.10 Variaţie consum pompă de căldură

Fig.IV.11 Variaţie consum sistem

Se remarcă dependenţa invers proporţională între consumul de energie şi valorile

COP-ului pompei de căldură (Fig.IV.12) şi ale sistemului (Fig.IV.13). Variaţia

temperaturii exterioare are rolul de a arăta diferenţele climatice pentru cele trei oraşe

analizate şi de a scoate în evidenţă modul în care temperatura exterioară influenţează, pe

98

parcursul perioadei analizate, variaţia temperaturii planşeului, a consumului auxiliar, a

consumului pompei de căldură şi al întregului sistem, respectiv a COP-ului.

Fig.IV.12 Variaţie COP pompă de căldură

Fig.IV.13 Variaţie COP sistem

99

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Datorită faptului că pentru oraşul Constanţa (zona 1 climatică) pompa de căldură

intră în funcţiune mai târziu decât în celelalte cazuri, rezultă un consum auxiliar mai ridicat

(Fig.IV.14). Totuşi, consumul auxiliar înregistrat pentru oraşul Constanţa este redus,

deoarece temperatura exterioară este aproximativ egală cu cea stabilită pentru satisfacerea

confortului termic la interior. Pentru celelalte două zone climatice, curbele variaţiei

consumului auxiliar sunt dependente direct de variaţia temperaturii exterioare. Cu cât

temperatura este mai ridicată, cu atât energia termică, ce trebuie preluată de la o sursă

auxiliară, este mai mare. Proporţionalitatea se păstrează pe întreg intervalul de timp

analizat. Acestea se datorează faptului că necesarul de răcire este puternic influenţat de

temperatura exterioară şi pentru că pompa de căldură funcţionează deja la valori maxime,

se modifică doar cantitatea de energie auxiliară introdusă pentru a putea menţine

temperatura interioară la valoarea prestabilită (26oC).

Fig.IV.14 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Aportul de energie termică auxiliară (Fig.IV.15), pentru zona 1, are cea mai ridicată

valoare, iar pentru zona 3, cea mai scăzută valoare, deoarece necesarul de răcire al clădirii

este cel mai ridicat în zona 1 şi cel mai scăzut în zona 3. Se observă o proporţionalitate

între necesarul de frig şi aportul de energie auxiliară (Tab.IV.4).

100

Fig.IV.15 Aport energie termică pentru răcirea clădirii 1 pentru zone climatice diferite

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Aport auxiliar 15422 69 12990 52 11640 62

Aport PAC 6969 31 11762 48 7224 38 Tab.IV.4 Ponderea aportului de energie termică pentru răcirea clădirii 1

pentru zone climatice diferite

Raportul dintre consumul de energie electrică al pompei de căldură şi cel

complementar este similar cu cel al aporturilor termice (Fig.IV.16 a,b). Pentru zona 1,

energia electrică complementară consumată are cea mai ridicată valoare, iar pentru zona 3,

cea mai scăzută valoare, deoarece necesarul termic al clădirii este cel mai ridicat în zona 1

şi cel mai scăzut în zona 3.

Sursa auxiliară, utilizată pentru satisfacerea necesarului de frig, este reprezentată,

pentru un caz, de o instalaţie frigorifică cu un COP=3.5 şi, pentru alt caz, de o instalaţie

frigorifică cu un COP=5 (Tab.IV.5). Ambele sisteme auxiliare de răcire au aceeaşi putere

instalată. Astfel, se observă un consum electric complementar mai crescut pentru instalaţia

frigorifică cu un COP mai scăzut şi un consum electric complementar mai redus pentru

instalaţia frigorifică cu un COP mai ridicat.

101

Fig.IV.16.a Consum energie electrică al pompei de căldură pentru răcirea clădirii 1

pentru zone climatice diferite (IF-COP=3.5)

Fig.IV.16.b Consum energie electrică al pompei de căldură pentru răcirea clădirii 1

pentru zone climatice diferite (IF-COP=5)

102

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Consum complementar

(COP=3.5) 4406 76 3711 61 3326 70

Consum PAC 1423 24 2416 39 1454 30

Consum complementar

(COP=5) 3084 68 2598 52 2328 62

Consum PAC 1423 32 2416 48 1454 38

Tab.IV.5 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru răcirea clădirii 1 pentru zone climatice diferite

IV.1.2 Influenţa puterii instalate a pompei de căldură

Regim încălzire

Simularea pentru regimul de încălzire a fost realizată tot pe perioada lunii ianuarie

cea mai rece perioadă a anului.

Pompa de căldură, utilizată în standul experimental, ce a fost modelată în

TRNSYS, este caracterizată de o putere electrică şi o putere termică corespunzătoare în

funcţie de diferenţa între sursa caldă, care este reprezentă de clădire pentru perioada de

încălzire şi de sol pentru perioada de răcire şi sursa rece , care este reprezentă de sol pentru

perioada de încălzire şi de clădire pentru perioada de răcire. Plecând de la valorile iniţiale

de putere instalată ale pompei de căldură reale (cazul 2 = PAC_100%), s-au simulat alte

două modele de pompă de căldură în TRNSYS: o pompă de căldură cu o putere electrică şi

termică mai mare cu 50% (cazul 3 = PAC_150%) şi, respectiv, mai mică cu 50% (cazul 1

= PAC_50%). Pentru a putea acoperii integral necesarul termic al clădirii, prin intermediul

pompei de căldură, s-a ales o pompă cu o putere termică instalată maximă, pentru o

diferenţă între sursa caldă şi sursa rece echivalentă unui necesar termic instantaneu maxim,

pe luna de simulare (cazul 4 = PAC_max).

Clădirea 1, utilizată în aceste simulări, este caracterizată de o rezistenţă termică şi o

inerţie termică scăzută. Temperatura interioară este menţinută la 20oC prin intermediul

unui aport termic auxiliar, reprezentat de o centră termică (CT) cu un randament η=90%.

103

Variaţia temperaturii planşeului

În ceea ce priveşte variaţiile temperaturii planşeului (Fig.IV.17) pentru primele 3

cazuri, pompa de căldură, ce păstrează caracteristicile pompei de căldură din modelul

experimental (PAC_100%), şi cele doua modele realizate ulterior (PAC_150%;

PAC_50%), se observă o diferenţă importantă. Pentru cazul pompei de căldură a cărei

puteri termice instalate ar putea teoretic acoperii integral necesarul de căldură (PAC_max),

observăm o curbă de variaţie diferită, cu o serie de oscilaţii pe întreaga durată a simulării.

Acest lucru se datorează faptului că, pentru temperatura agentului termic pe turul

circuitului de încălzire (rezervor de stocare – consumator) s-a impus o condiţie de limitare

superioară din motive de confort termic. Această limitare nu permite ca temperatura la

ieşirea din rezervor a agentului termic să depăşească valoarea de 45oC.

Fig.IV.17 Variaţia temperaturii planşeului

În cazul depăşirii valorii 45oC de pompa de circulaţie de pe circuitul de încălzire se

opreşte, lucru care se observă datorită oscilaţiilor destul de importante ale variaţiei

temperaturii planşeului, pentru o putere a pompei de căldură ce satisface întreg necesarul

termic. Datorită faptului că temperatura agentului termic este limitată la 45oC, necesarul

termic al clădirii nu poate fi acoperit integral prin intermediul pompei de căldură.

104

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

Variaţia consumului pompei de căldură (Fig.IV.18), în cele trei cazuri, este

aproximativ liniară, fără oscilaţii semnificative. Conform graficului şi aşa cum era de

aşteptat pentru pompa de căldură cu o putere termică şi electrică instalată mică, avem o

variaţie liniară, înregistrându-se valori scăzute. Consumul creşte în funcţie puterea instalată

a pompei, obţinându-se curbe de variaţie cu valori mai ridicate. Pompa de căldură, ce

asigură integral necesarul de căldură datorită faptului că are o putere termică şi electrică

instalată foarte ridicată, face ca temperatura agentului, ce pleacă din rezervor către

utilizator, să fie foarte ridicată. Pentru că există o limitare superioară a agentului termic,

fapt ce va duce la oprirea şi pornirea succesivă a pompei de căldură, se obţine o oscilaţie

ridicată a curbei de variaţie pentru cazul 4. Deoarece consumul pompelor de circulaţie este

constant şi nesemnificativ în comparaţie cu consumul pompei de căldură, valorile

consumului de energie electrică a sistemului (Fig.IV.19) sunt aproximativ aceleaşi, ca în

cazul variaţiei consumului pompei de căldură.

Variaţia COP-ului pompei de căldură (Fig.IV.20) este invers proporţională cu

consumul de energie electrică al pompei de căldură pentru toate cele patru cazuri, lucru

care se poate deduce din figura IV.18.

Fig.IV.18 Variaţie consum pompă de căldură

105

Fig.IV.19 Variaţie consum sistem

Fig.IV.20 Variaţie COP pompă de căldură

Variaţia COP-ului întregului sistem este invers proporţională (Fig.IV.21) cu

consumul de energie electrică a sistemului, fapt ce se poate deduce din figura IV.20.

În urma acestei evaluări, se poate trage concluzia că o dată cu creşterea consumului

pompei de căldură creşte semnificativ consumul întregului sistem, ştiind că valorile

106

consumului compresorului sunt mult mai mari în comparaţie cu cele ale pompelor de

circulaţie. De asemenea, COP-ul sistemului creşte de la cazul PAC_max la cazul

PAC_50%, ceea ce demonstrează că acesta din urmă este cel mai eficient sistem din punct

de vedere energetic.

Fig.IV.21 Variaţie COP sistem

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Condiţia de limitare a temperaturii de pe circuitul de încălzire, care determină

oprirea şi pornirea pompei de circulaţie, influenţează şi variaţia aportului de căldură

auxiliar (Fig.IV.22). Deoarece necesarul termic, ce mai trebuie acoperit, depinde de

evoluţia temperaturii planşeului, se observă, pentru primele trei cazuri, avem o variaţie

asemănătoare pe întreaga perioadă de simulare, iar pentru cazul al patrulea (PAC_MAX)

valorile oscilante sunt relativ asemănătoare cu cele din cazul al treilea (PAC_150%). Ca şi

în studiul cu 3 curbe de variaţie a temperaturii exterioare corespunzătoare pentru fiecare

din cele 3 zone climatice, se observă influenţa temperaturii exterioare asupra variaţiei

consumului auxiliar. De asemenea, se observă şi faptul că necesarul termic al clădirii nu

poate fi acoperit integral prin intermediul pompei de căldură, deoarece temperatura

agentului termic nu trebuie să depăşească 45oC din considerente de confort termic.

107

Fig.IV.22 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

In figura IV.23 am reprezentat, pentru fiecare caz în parte, ponderile relative dintre

aportul termic al PAC şi aportul auxiliar de la sursa termică centralizată. Se observă că

aportul de energie termică al pompei de căldură creşte în funcţie de puterea termică

instalată, astfel aportul termic al sursei auxiliare scade corespunzător (Tab.IV.6).

Fig.IV.23 Aport energie termică pentru încălzirea clădirii 1

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

108

Fig.IV.24 Consum energie electrică al pompei de căldură pentru încălzirea clădirii 1

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

PAC_50 PAC_50 PAC_100 PAC_100 PAC_150 PAC_150 PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh %

Aport

auxiliar 120380 0.74 104006 0.58 90180 0.45 75214 0.15

Aport

PAC 41758 0.26 75807 0.42 108090 0.55 413072 0.85

Tab.IV.6 Ponderea aportului de energie termică pentru încălzirea clădirii 1

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

PAC_50 PAC_50 PAC_100 PAC_100 PAC_150 PAC_150 PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh %

Consum

complementar 133756 94 115562 86 100200 75 83570 34

Consum PAC 8831 6 19205 14 34263 25 159223 66

Tab.IV.7 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru încălzirea clădirii 1 pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

109

Tot pe baza aceluiaşi principiu, amintit anterior, consumul de energie electrică

(Fig.IV.24; Tab.IV.7) al pompei de căldură creşte în funcţie de puterea electrică instalată.

Regim răcire

Simularea pentru regimul de răcire a fost realizată pentru perioada lunii iulie,

deoarece s-a considerat ca fiind cea mai caldă perioadă a anului.

În acest studiu s-au utilizat patru pompe de căldură cu diferite puteri instalate.

Astfel, plecând de la puterea pompei utilizată în standul experimental (caz 2 =

PAC_100%), s-au realizat alte două modele de pompă de căldură în TRNSYS cu o putere

electrică şi termică mai mare cu 50% (caz 3 = PAC_150%) şi, respectiv, mai mică cu 50%

(caz 1 = PAC_50%). Al patrulea caz (caz 4 = PAC_max) este reprezentat de o pompă de

căldură cu o putere instalată, ce permite din punct de vedere teoretic satisfacerea întregului

necesar de răcire doar prin intermediul pompei de căldură.

Pentru simulările realizate pentru cele patru cazuri s-a utilizat modelul clădirii 1

(III.3.3) care este caracterizată de o rezistenţă termică şi o inerţie termică scăzută.

Temperatura interioară este menţinută la 26oC prin intermediul unui aport termic auxiliar

reprezentat de o instalaţie frigorifică.

Variaţia temperaturii planşeului

Temperatura planşeului este influenţată de temperatura exterioară (Fig.IV.25).

Deoarece pornirea pompei de căldură pentru regimul de răcire se realizează la o

temperatură exterioară Text=24oC, iar oprirea la o temperatură exterioară Text=20oC, pe

durata simulării apar oscilaţii importante datorită alternanţei perioadei de funcţionare cu

cea de nefuncţionare.

Pe parcursul simulării se observă o perioadă caracterizată de o durată mai lungă de

nefuncţionare a pompei de căldură. Aceasta se datorează faptului că temperatura în cursul

nopţii scade sub valoarea de 20oC, condiţia de oprire a PAC, şi apoi pentru câteva zile

consecutive nu se înregistrează o temperatură exterioară mai mare de 24oC, condiţia de

pornire a PAC, fapt ce ar determina pornirea pompei de căldură. Acest fenomen

caracterizează, după cum se poate observa, toate cele patru cazuri.

Diferenţa între curbele de variaţie ale temperaturii planşeului pentru cazul 1

(PAC_50%), cazul 2 (PAC_100%) şi cazul 3 (PAC_150%) este dată de diferenţa între

puterea termică instalată a pompelor de căldură respective.

110

Pentru cazul 3, pentru care puterea instalată este cea mai mare, observăm o curbă

de variaţie similară cu cea din cazul 2, cu amplitudine a oscilaţiilor mai ridicată. Acest

lucru este datorat faptului că există o limitare inferioară la 5oC a temperaturii agentului

termic ce intră în planşeu. Limitarea superioară (45oC) nu influenţează curba de variaţie a

temperaturii planşeului, deoarece temperaturile înregistrate se situează cu mult sub

valoarea de 45oC.

Fig.4.25 Variaţia temperaturii planşeului

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

Variaţia consumului de energie electrică, pentru pompa de căldură (Fig.IV.26) şi

pentru întregul sistem (Fig.IV.27), ţine de puterea electrică instalată pentru fiecare caz în

parte şi de variaţia COP-ului in funcţie de sarcina termică furnizată de pompa de căldură.

Deoarece consumul pompelor de circulaţie este constant şi foarte scăzut in comparaţie cu

cel al pompei de căldură, variaţia consumului pe întregul sistem va fi asemănătoare cu cea

a pompei de căldură.

111

Fig.IV.26 Variaţie consum pompă de căldură

Fig.IV.27 Variaţie consum sistem

În cazul variaţiei COP-ului pompei de căldură (Fig.IV.28) şi al întregului sistem

(Fig.IV.29), se observă proporţionalitate inversă cu variaţia consumului electric, fenomen

observat şi în studiile de caz anterioare.

112

Fig.IV.28 Variaţie COP pompă de căldură

Fig.IV.29 Variaţie COP sistem

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

În ceea ce priveşte aportul auxiliar de energie termică acesta este zero (Fig.IV.30),

deoarece necesarul de răcire al clădirii este acoperit integral de pompa de căldură. Faptul

113

că nu avem un aport auxiliar de pentru răcire demonstrează importanţa inerţiei clădirii,

aceasta având o influenţă mare asupra necesarului termic.

Fig.IV.30 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Aportul de energie de răcire (Fig.IV.31) al pompei de căldură creşte în funcţie de

puterea termică instalată, astfel încât contribuţia sursei auxiliare scade (Tab.IV.8).

Tot pe baza aceluiaşi principiu, amintit anterior, consumul de energie electrică

(Fig.IV.32 a,b) al pompei de căldură creşte în funcţie de puterea electrică instalată, iar

consumul electric complementar scade. Astfel, cel mai economic este cazul PAC_50% şi

cel mai defavorabil cazul PAC_max.

PAC_50 PAC_50 PAC_100 PAC_100 PAC_150 PAC_150 PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh % Aport

auxiliar 14408 69 12990 52 13628 44 11600 29

Aport PAC 6510 31 11762 48 17527 56 28925 71

Tab.IV.8 Contribuţie energie termică pentru răcirea clădirii 1

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

114

Fig.IV.31 Aport energie termică pentru răcirea clădirii 1

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

Pentru asigurarea necesarului de răcire avem două soluţii constructive şi anume: o

instalaţie frigorifică cu un COP=3.5 şi o instalaţie frigorifică cu un COP=5 (Tab.IV.9).

Fig.IV.32.a Consum energie electrică al pompei de căldură pentru răcirea clădirii 1

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură (IF-COP=3.5)

115

Fig.IV.32.b Consum energie electrică al pompei de căldură pentru răcirea clădirii 1

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură (IF-COP=5)

PAC_50% PAC_50% PAC_100% PAC_100% PAC_150% PAC_150% PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh %

Cons. compl.

COP=3.5 4117 78 3711 61 3894 51 3314 27

Cons. PAC 1178 22 2416 39 3681 49 8810 73

Cons. compl. COP=5

2882 71 2598 52 2726 43 2320 21

Cons. PAC 1178 29 2416 48 3681 57 8810 79

Tab.IV.9 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru răcirea clădirii 1 pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

IV.2 Evaluarea aportului termic şi a consumului de energie

electrică al pompei de căldură pentru o clădire de birouri

Evaluarea aportului termic şi a consumului de energie electrică al pompei de

căldură pentru o clădire de birouri s-a realizat pe baza studiilor de caz 8-11, efectuate

ţinându-se cont de influenţa zonei climatice, puterii instalate a pompei de căldură şi a

regimului de funcţionare.

116

IV.2.1 Influenţa zonei climatice

Regim încălzire Simularea pentru regimul de încălzire a fost realizată pe perioada lunii ianuarie,

deoarece s-a considerat ca fiind cea mai rece perioadă a anului.

Dat fiind faptul că nu există o bază de date climate în format suportat de TRNSYS

pentru zonele climatice din România, s-au utilizat datele climatice din TRNSYS pentru trei

oraşe ce fac parte din zone climatice diferite. Astfel, oraşul Constanţa reprezintă zona 1,

Bucureşti zona 2 şi, respectiv, Iaşi zona 3.

Clădirea 2, utilizată în aceste simulări, este caracterizată de o rezistenţă termică şi o

inerţie termică ridicată (III.3.3). Temperatura interioară este menţinută la 20oC prin

intermediul unui aport termic auxiliar, reprezentat de o centrală termică (CT) cu un

randament η=90%.

Variaţia temperaturii planşeului

Variaţia, care se manifestă asupra temperaturii planşeului (Fig.IV.33) pe parcursul

simulării, este determinată de funcţionarea pompei de căldură şi a pompelor de circulaţie.

Fig.IV.33 Variaţia temperaturii planşeului

Diferenţa, care se observă pentru cele trei zone climatice, este datorată faptului că

temperatura exterioară influenţează pierderile de căldură prin anvelopa clădirii rezultând o

117

scădere a temperaturii la nivelul planşeului. Astfel, atunci când temperatura exterioară este

scăzută, rezultă o temperatură la nivelul planşeului scăzută şi cu cât temperatura exterioară

creşte, va creşte şi temperatura planşeului. Se observă, totuşi, o decalare temporală de

câteva ore între maximul temperaturii exterioare şi maximul temperaturii planşeului, ca

urmare a inerţiei termice ridicate a clădirii.

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

Datorită faptului că pompa de căldură funcţionează în continuu pe întreaga

perioadă analizată, se poate remarca fenomenul de epuizare termică a solului deoarece

cantitatea de energie termică extrasă din sol este mai mare decât posibilitatea de regenerare

termică a solului. Acest fenomen de epuizare termică determină o reducere a cantităţii de

energie termică ce se extrage din sol concomitent cu o creştere a energiei electrice

absorbite de către compresor. După cum se poate observa şi în figura IV.34, consumul

electric al pompei de căldură creşte. Panta curbei de variaţie a consumului este influenţată

de inerţia termică a clădirii. Diferenţa între consumurile electrice pentru cele trei cazuri

este foarte mică, deoarece diferenţele între temperaturile exterioare pentru aceste trei cazuri

nu este semnificativă (mai mică de 5oC).

Fig.IV.34 Variaţie consum pompă de căldură

118

Variaţia consumului întregului sistem (Fig.IV.35), pentru cele trei oraşe ce fac parte

din zone climatice diferite, are valori destul de apropiate. Aceasta se datorează faptului că

temperatura este limitată superior la 45oC şi necesarul de termic nu este satisfăcut doar prin

intermediul pompei de căldură, existând o sursă termică auxiliară reprezentată de o

centrală termică.

Fig.IV.35 Variaţie consum sistem

In figura IV.36, se observă faptul că COP-ul pompei de căldură scade invers

proporţional cu creşterea consumului electric al pompei. Cu alte cuvinte, un consum

crescut de energie electrică duce la o eficienţă scăzută a pompei de căldură.

Aceeaşi diferenţă, relativ redusă între curbele de variaţie ale consumului de energie

al sistemului pentru cele trei zone climatice, se observă şi în cazul variaţiei COP-ului

(Fig.IV.37). Astfel, se remarcă dependenţa inversă între valorile consumului de energie şi

valorile COP-ului sistemului.

Variaţia temperaturii exterioare are rolul de arăta diferenţele climatice dintre cele

trei oraşe analizate şi de a scoate în evidenţă modul în care temperatura exterioară

influenţează variaţia consumului auxiliar, variaţia consumului întregului sistem şi,

respectiv, a COP-ului.

119

Fig.IV.36 Variaţie COP pompă de căldură

Fig.IV.37 Variaţie COP sistem

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Influenţa temperaturii exterioare asupra variaţiei consumului auxiliar (Fig.IV.38)

este destul de evidentă. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât energia termică ce este

introdusă printr-o sursă auxiliară este mai mare. Această dependenţă se păstrează pe întreg

120

intervalul de timp analizat şi se observă că, în cazul în care temperatura exterioară tinde

spre valoarea de 8-9oC, consumul auxiliar tinde spre zero. În concluzie se observă că

necesarul de încălzire este puternic influenţat de temperatura exterioară şi pentru că pompa

funcţionează, deja, la valori maxime, se modifică doar cantitatea de energie auxiliară

introdusă, pentru a putea menţine valoarea temperaturii interioare, conform condiţiilor

iniţiale.

Fig.IV.38 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Aportul de energie termică de la pompa de căldură (Fig.IV.39; Tab.IV.10) creşte de

la zona 3 la zona 1. Pentru zona 1, energia termică auxiliară are cea mai scăzută valoare,

iar pentru zona 3, cea mai ridicată valoare, deoarece necesarul termic al clădirii este cel

mai scăzut în zona 1 şi cel mai ridicat în zona 3. Se observă o invers proporţionalitate între

necesarul de căldură şi aportul de energie termică auxiliară. Cu cât necesarul termic este

mai scăzut, cu atât aportul termic de la pompa de căldură este într-o proporţie mai ridicată,

necesitând un aport auxiliar redus, şi cu cât necesarul termic creşte, cu atât aportul auxiliar

va creşte.

121

Fig.IV.39 Aport energie termică pentru încălzirea clădirii 2 pentru zone climatice diferite

Fig.IV.40 Consum energie electrică al pompei de căldură pentru încălzirea clădirii 2

pentru zone climatice diferite

122

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Aport auxiliar 14115 18 21444 25 26992 27

Aport PAC 65420 82 65796 75 74850 73 Tab.IV.10 Ponderea aportului de energie termică pentru încălzirea clădirii 2

pentru zone climatice diferite

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Consum complementar 15683 40 23827 51 29991 55

Consum PAC 23236 60 22581 49 24146 45

Tab.IV.11 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru încălzirea clădirii 2 pentru zone climatice diferite

Raportul dintre consumul de energie electrică al pompei de căldură şi cel

complementar are aceeaşi tendinţă de variaţie cu raportul dintre energia produsă şi energia

auxiliară (Fig.IV.40; Tab.IV.11). Pentru zona 1, energia electrică complementară

consumată are cea mai scăzută valoare, iar pentru zona 3, cea mai ridicată valoare,

deoarece necesarul termic al clădirii este cel mai scăzut în zona 1 şi cel mai ridicat în zona 3.

Regim răcire

Prin realizarea acestui studiu în luna iulie, cea mai caldă perioadă a anului, s-a putut

observa, mai bine, modul în care instalaţia de pompă de căldură răspunde necesarului

termic pe regimul de răcire.

Dat fiind faptul că nu există o bază de date climate în format TRNSYS pentru

zonele climatice din România, s-au utilizat datele climatice din TRNSYS pentru 3 oraşe ce

fac parte din zone climatice diferite. Astfel, oraşul Constanţa reprezintă zona 1, Bucureşti

zona 2 şi, respectiv, Iaşi zona 3.

Clădirea 2 (clădire de biruri, cap.III.3.3), utilizată în aceste simulări este

caracterizată de o rezistenţă termică şi o inerţie termică ridicată. Temperatura interioară

este menţinută la 26oC prin intermediul unui aport de răcire auxiliar de către o instalaţie

frigorifică.

123

Variaţia temperaturii planşeului

Temperatura planşeului este influenţată în mod obişnuit de temperatura exterioară,

datorită influenţei acesteia asupra aporturilor de căldură prin anvelopă (Fig.IV.41).

Deoarece pornirea pompei de căldură pentru regimul de răcire se realizează la o

temperatură exterioară Text=24oC şi oprirea la o temperatură exterioară Text=20oC, pe

durata simulării apar oscilaţii importante cauzate de alternanţa perioadei de funcţionare cu

cea de nefuncţionare.

Fig.IV.41 Variaţia temperaturii planşeului

Pe parcursul simulării, se observă trei perioade caracterizate de o durată mai lungă

de nefuncţionare a pompei de căldură, deoarece temperatura în cursul nopţii scade sub

valoarea de 20oC şi apoi pentru câteva zile consecutive nu se înregistrează o temperatură

exterioară mai mare de 24oC, fapt ce ar determina pornirea pompei de căldura. Acest

fenomen caracterizează, după cum se poate observa oraşele Constanţa (zona 1) şi Iaşi

(zona 3), fapt reliefat de lipsa oscilaţiilor foarte mari ale temperaturii exterioare. Pentru

Bucureşti (zona 2), diferenţa între zi şi noapte este mai ridicată decât în celelalte două

cazuri ceea ce duce la o frecvenţă mai mare de utilizare a pompei de căldură.

124

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

Frecvenţa ridicată de utilizare a pompei de căldură, pentru Bucureşti, datorată

oscilaţiilor importante ale temperaturii exterioare, determină un consum electric total mai

ridicat decât în celelalte două cazuri. Se poate observa că, pentru oraşele Constanţa şi Iaşi,

care fac parte din zona 1 şi, respectiv, zona 3 climatică, perioada de funcţionare a pompei

căldură este mai redusă, deci consumul electric este mai scăzut. Deoarece consumul

pompelor de circulaţie este constant şi foarte scăzut în comparaţie cu cel al pompei de

căldură, variaţia consumului pe întregul sistem va fi asemănătoare cu cea a pompei de

căldură.

În cazul consumului pompei de căldură (Fig.IV.42) şi a întregului sistem

(Fig.IV.43), cu cât temperatura interioară creşte, iar diferenţa între sursa rece reprezentată

de sol şi sursa caldă reprezentată de încăpere este mai mare, iar energia electrică

consumată de sistem este mai ridicată. Deoarece perioadele de funcţionare sunt scurte,

datorită oscilaţiei temperaturii exterioare în jurul valorilor de pornire/oprire, diferenţa între

curbele de variaţie corespunzătoare celor trei cazuri este redusă. Se observă un defazaj

pronunţat între vârfurile dintre zona 2 şi zonele 1 şi 3.

Fig.IV.42 Variaţie consum pompă de căldură

125

Fig.IV.43 Variaţie consum sistem

În cazul variaţiei COP-ului pompei de căldură (Fig.IV.44) şi a întregului sistem

(Fig.IV.45), se păstrează proporţionalitatea cu consumurile de energie electrică ceea ce

determină acelaşi fenomen, ca şi în cazul curbelor de variaţie ale consumului de energie al

sistemului, şi anume graficul surprinde diferenţa foarte mică între curbele de variaţie.

Totuşi, se poate observa pe grafic faptul că unui consum electric ridicat îi corespunde o

valoare scăzută a COP-ului şi invers.

Fig.IV.44 Variaţie COP pompă de căldură

126

Fig.4.45 Variaţie COP sistem

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

În ceea ce priveşte aportul auxiliar de energie termică, acesta este zero (Fig.IV.46),

deoarece necesarul termic al clădirii este acoperit integral de pompa de căldură. Datorită

lipsei unui aport auxiliar de pentru răcire se poate observa importanţa şi influenţa unei

inerţii ridicate a clădirii asupra necesarului termic.

Fig.IV.46 Variaţia consumului auxiliar

127

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Deoarece nu există un aport auxiliar pentru răcire şi că aportul termic de la pompa

de căldură este mai ridicat decât necesarul termic al clădirii, rezultă un consum electric mai

ridicat decât ar fi necesar la compresorul pompei de căldură. Avantajul este că pompa de

căldură, având un COP important, face ca energia electrică, ce se consumă la compresor, să

fie mai redusă decât la o maşină frigorifică (Tab.IV.12; Tab.IV.13).

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Aport auxiliar 0 0 0 0 0 0

Aport PAC 14324 100 18015 100 13589 100 Tab.IV.12 Ponderea aportului de energie termică pentru răcirea clădirii 2

pentru zone climatice diferite

Z1 Z1 Z2 Z2 Z3 Z3 kWh % kWh % kWh %

Consum complementar 0 0 0 0 0 0

Consum PAC 2973 100 3679 100 2720 100

Tab.IV.13 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru răcirea clădirii 2 pentru zone climatice diferite

IV.2.2 Influenţa puterii instalate a pompei de căldură

Regim încălzire

Simularea pentru regimul de încălzire a fost realizată pe perioada lunii ianuarie,

deoarece s-a considerat cea mai rece perioadă a anului.

Pompa de căldură, utilizată în standul experimental ce a fost modelată în TRNSYS

este caracterizată de o putere electrică şi o putere termică corespunzătoare în funcţie de

diferenţa dintre sursa caldă (reprezentă de clădire pentru perioada de încălzire şi de sol

pentru perioada de răcire) şi cea rece (reprezentă de sol pentru perioada de încălzire şi de

clădire pentru perioada de răcire). Plecând de la aceste valori iniţiale ale pompei de căldură

128

modelate, s-au realizat alte două modele de pompă de căldură în TRNSYS cu o putere

electrică şi termică mai mare cu 50% (cazul 3) şi, respectiv, mai mică cu 50% (cazul 1).

Pentru a putea acoperi necesarul termic al clădirii, integral, prin intermediul pompei de

căldură (cazul 4), s-a ales o pompă cu o putere termică instalată, pentru o diferenţă între

sursa caldă şi sursa rece cât mai mare, echivalentă cu necesarul termic maxim.

Clădirea 2, utilizată în aceste simulări, este caracterizată de o rezistenţă termică şi o

inerţie termică ridicată. Temperatura interioară este menţinută la 20oC prin intermediul

unui aport termic auxiliar reprezentat de o centrală termică (CT) cu un randament η=90%.

Variaţia temperaturii planşeului

În ceea ce priveşte variaţiile temperaturii planşeului (Fig.IV.47), pentru primele trei

cazuri, dintre pompa de căldură, ce păstrează caracteristicile pompei de căldură din

modelul experimental (PAC_100%), şi cele două modele realizate ulterior (PAC_150%;

PAC_50%) care au o putere electrică şi termică mai mare cu 50% şi, respectiv, mai mică

cu 50% , se observă o diferenţă importantă.

Fig.IV.47 Variaţia temperaturii planşeului

Pentru cazul pompei de căldură care acoperă integral necesarul termic (PAC_max),

observăm o curbă de variaţie diferită, cu o serie de oscilaţii pe întreaga durată a simulării,

deoarece pentru temperatura agentului termic pe circuitul de încălzire (rezervor de

stocare – consumator) s-a impus o condiţie de limitare superioară din motive de confort

129

termic. Această limitare nu permite ca valoarea agentului termic, la ieşirea din rezervor, să

depăşească valoarea de 45oC, în cazul depăşirii acestei valori pompa de circulaţie de pe

circuitul de încălzire se opreşte, fapt ce determină oscilaţii importate ale variaţiei

temperaturii planşeului, pentru o putere a pompei de căldură ce satisface întreg necesarul

termic.

Evoluţia consumului electric al pompei de căldura şi al sistemului

Variaţia consumului pompei de căldură (Fig.IV.48) se menţine la acelaşi nivel fără

oscilaţii semnificative. Conform graficului, şi aşa cum era de aşteptat pentru pompa de

căldură cu o putere termică şi electrică instalată mică, există o variaţie liniară cu valori

scăzute, ca şi în cazurile celelalte. Consumul creşte în funcţie puterea instalată a pompei,

având, ca şi curbă de variaţie cu valorile cele mai ridicate, pompa de căldură ce asigură

integral necesarul de căldură.

Fig.IV.48 Variaţie consum pompă de căldură

Deoarece consumul pompelor de circulaţie este constant şi nesemnificativ în

comparaţie cu consumul pompei de căldură, valorile consumului întregului sistem

(Fig.IV.49) sunt aproximativ aceleaşi ca în cazul variatei consumului pompei de căldură.

130

Fig.IV.49 Variaţie consum sistem

Variaţia COP-ului pompei de căldură este invers proporţională cu consumul de

energie electrică al pompei de căldură, fapt reliefat prin intermediul graficului Fig.IV.50.

Fig.IV.50 Variaţie COP pompă de căldură

131

Variaţia COP-ului întregului sistem este invers proporţională (Fig.IV.51) cu

consumul de energie electrică.

Fig.IV.51 Variaţie COP sistem

În urma acestei evaluări, se ajunge la concluzia conform căreia că o dată cu

creşterea puterii pompei de căldură creste semnificativ consumul întregului sistem, ceea ce

înseamnă că valorile consumului compresorului sunt mult mai mari în comparaţie cu cele

ale pompelor de circulaţie. Se observă şi faptul că variaţiile COP-lui întregului sistem sunt

invers proporţionale cu cele ale consumului şi, deci, puternic influenţate de puterea pompei

de căldură.

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Deoarece necesarul termic ce mai trebuie acoperit depinde de puterea termică

instalată a fiecărei pompe de căldură, se observă că pentru primele trei cazuri avem o

variaţie asemănătoare pe întreaga perioadă de simulare. Pentru cazul pompei de căldură ce

asigură integral necesarul termic, consumului auxiliar nu prezintă variaţii (Fig.IV.52),

acesta fiind nesemnificativ. Ca şi în studiul celor trei curbe de variaţie corespunzătoare

temperaturii exterioare pentru fiecare din cele trei zone climatice, se observă influenţa

temperaturii exterioare asupra variaţiei consumului auxiliar.

132

Fig.IV.52 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Aportul de energie termică (Fig.IV.53; Tab.IV.14) al pompei de căldură creşte în

funcţie de puterea termică instalată, astfel încât aportul termic al sursei auxiliare scade.

Fig.IV.53 Aport energie termică pentru încălzirea clădirii 2

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

133

PAC_50 PAC_50 PAC_100 PAC_100 PAC_150 PAC_150 PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh % Aport

auxiliar 42255 53 21444 25 7903 8 95 0

Aport PAC 37143 47 65796 75 93291 92 227738 100

Tab.IV.14 Ponderea aportului de energie termică pentru încălzirea clădirii 2

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

Tot pe baza aceluiaşi principiu, amintit anterior, consumul de energie electrică

(Fig.IV.54; Tab.IV.15) al pompei de căldură creşte în funcţie de puterea electrică instalată.

Fig.IV.54 Consum energie electrică al pompei de căldură pentru încălzirea clădirii 2

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

PAC_50 PAC_50 PAC_100 PAC_100 PAC_150 PAC_150 PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh %

Consum complementar 46950 83 23827 51 8781 18 86 0

Consum PAC 9921 17 22581 49 39876 82 89067 100

Tab.IV.15 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru încălzirea clădirii 2 pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

134

Regim răcire

Simularea pentru regimul de răcire a fost realizată pe perioada lunii iulie, deoarece

s-a considerat ca fiind cea mai caldă perioadă a anului.

Pompa de căldură utilizată în standul experimental, ce a fost modelată în TRNSYS,

este caracterizată de o putere electrică şi o putere termică corespunzătoare în funcţie de

diferenţa între sursa caldă (reprezentă de clădire pentru perioada de încălzire şi de sol

pentru perioada de răcire) şi sursa rece (reprezentă de sol pentru perioada de încălzire şi de

clădire pentru perioada de răcire). Plecând de la aceste valori iniţiale ale pompei de căldură

modelate (cazul 2), s-au realizat alte două modele de pompă de căldură în TRNSYS cu o

putere electrică şi termică mai mare cu 50% (cazul 3) şi, respectiv, mai mică cu 50% (cazul

1). Pentru a putea acoperii necesarul de răcire al clădirii, integral, prin intermediul pompei

de căldură (cazul 4), s-a ales o pompă cu o putere termică instalată, pentru o diferenţa între

sursa caldă şi sursa rece cât mai mare, echivalentă cu necesarul termic instant maxim.

Clădirea 2 (cladire birouri – cap.III.3.3), utilizată în aceste simulări este

caracterizată de o rezistenţă termică şi o inerţie termică ridicată. Temperatura interioară

este menţinută la 26oC prin intermediul unui aport termic auxiliar reprezentat de o

instalaţie frigorifică.

Variaţia temperaturii planşeului

Temperatura planşeului este influenţată de temperatura exterioară (Fig.IV.55).

Deoarece pornirea pompei de căldură pentru regimul de răcire se realizează la o temperatură

exterioară Text=24oC şi oprirea la o temperatură exterioară Text=20oC, pe durata simulării apar

oscilaţii importante datorită alternanţei perioadei de funcţionare cu cea de nefuncţionare.

Pe parcursul simulării se observă o perioadă caracterizată de o durată mai lungă de

nefuncţionare a pompei de căldură, deoarece temperatura în cursul nopţii scade sub

valoarea de 20oC (condiţia de oprire a PAC) şi apoi pentru câteva zile consecutive nu se

înregistrează o temperatură exterioară mai mare de 24oC (condiţia de pornire a PAC), fapt

ce ar determina pornirea pompei de căldură. Acest fenomen caracterizează după cum se

poate observa toate cele patru cazuri.

Diferenţa între curbele de variaţie ale temperaturii planşeului, pentru cazurile 1, 2 şi

3, este dată de diferenţa între puterea termică instalată a pompelor de căldură respective.

Pentru cazul 4 cu cea mai mare putere instalată, se observă o curbă de variaţie similară cu

cea din cazul 3, dar cu o amplitudine a oscilaţiilor mai ridicată, deoarece avem o limitare

inferioară la 5oC a temperaturii agentului termic ce intră în planşeu.

135

Fig.IV.55 Variaţia temperaturii planşeului

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

Variaţia consumului de energie electrică, pentru pompa de căldură (Fig.IV.56) şi

pentru întregul sistem (Fig.IV.57), ţine de puterea electrică instalată pentru fiecare caz în parte.

Fig.IV.56 Variaţie consum pompă de căldură

136

Deoarece consumul pompelor de circulaţie este constant şi foarte scăzut în

comparaţie cu cel al pompei de căldură, variaţia consumului pe întregul sistem va fi

asemănătoare cu cea a pompei de căldură.

Fig.IV.57 Variaţie consum sistem

În cazul variaţiei COP-ului pompei de căldură (Fig.IV.58) şi a

Fig.IV.58 Variaţie COP pompă de căldură

137

întregului sistem (Fig.IV.59),se observă o proporţionalitate inversă cu variaţia consumului

electric şi că unui consum electric ridicat îi corespunde o valoare scăzută a COP-ului şi invers.

Fig.IV.59 Variaţie COP sistem

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

În ceea ce priveşte aportul auxiliar de energie termică, acesta este zero (Fig.IV.60),

Fig.IV.60 Variaţia consumului auxiliar

138

deoarece necesarul termic al clădirii este acoperit integral de pompa de căldură. Din cauză

că nu avem un aport auxiliar de pentru răcire demonstrează importanţa şi influenţa unei

inerţii ridicate a clădirii asupra necesarului termic.

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Deoarece nu există un aport auxiliar pentru răcire şi că aportul termic de la pompa

de căldură este mai ridicat decât necesarul termic al clădirii, consumul electric este mai

ridicat decât ar fi necesar. Avantajul este că pompa de căldură având un COP important

face ca energia electrică, ce se pierde, să fie cât mai redusă (Tab.IV.16; Tab.IV.17).

Pentru a avea un consum electric optim şi pentru a satisface necesarul termic al

clădirii, integral, prin intermediul pompei de căldură, s-a realizat un model de pompă de

căldură cu un aport termic şi un consum electric optimizat.

PAC_50 PAC_50 PAC_100 PAC_100 PAC_150 PAC_150 PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh % Aport

auxiliar 0 0 0 0 0 0 20 0

Aport PAC 10754 100 18015 1.00 24563 100 7793 100

Tab.IV.16 Ponderea aportului de energie termică pentru răcirea clădirii 2

pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

Tab.IV.17 Ponderea consumului energie electrică al pompei de căldură

pentru răcirea clădirii 2 pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

PAC_50 PAC_50 PAC_100 PAC_100 PAC_150 PAC_150 PAC_MAX PAC_MAX

kWh % kWh % kWh % kWh %

Consum complementar 0 0 0 0 0 0 5 0

Consum PAC 1744 100 3679 100 5654 100 1114 100

139

IV.3 Influenţa automatizării asupra aportului termic şi a

consumului de energie electrică al pompei de căldură

Acest subcapitol a fost dezvoltat pe baza studiului de caz 7, urmărindu-se influenţa

automatizării sistemului studiat asupra aportului termic şi a consumului de energie

electrică al pompei de căldură în regim de încălzire, pentru o clădire de laborator.

Pe baza studiului realizat pentru luna ianuarie, cea mai rece perioadă a anului, s-a

observat mai bine modul în care instalaţia cu pompă de căldură răspunde necesarului

termic pe regimul de încălzire.

Clădirea 1, utilizată în aceste simulări, este caracterizată de o rezistenţă termică şi o

inerţie termică scăzută. Temperatura interioară este constantă datorită unui aport termic

auxiliar reprezentat de o centrală termică (CT) cu un randament η=90%.

În această analiză s-a urmărit influenţa implementării unui program de funcţionare,

pentru regimul de încălzire, asupra variaţiei temperaturii planşeului, variaţiei consumului

auxiliar, variaţiei consumului pompei de căldură şi a întregului sistem şi variaţiei COP.

IV.3.1 Variaţia temperaturii planşeului

Pentru acest studiu s-au avut în vedere doar două cazuri şi anume un program care

implică trecerea de la regimul redus de funcţionare la cel normal într-o perioadă de o oră

(program 1) şi un program care implică trecerea de la regimul redus de funcţionare la cel

normal într-o perioadă de două ore (program 2). Trebuie să menţionăm faptul că

temperatura interioară pe regimul de normal de încălzire a fost considerată de 20oC, iar

pentru regimul redus încălzire pe timp de noapte de doar 12oC. Astfel, trecerea de la

regimul normal de funcţionare la cel redus se realizează într-o oră, pentru primul caz, şi în

2 ore, pentru cel de-al doilea caz.

Această diferenţă, între cele două regimuri de tranziţie, determină o valoare mai

ridicată a temperaturii planşeului pentru cazul 2, deoarece pornirea pompei de căldură se

realizează cu o oră mai devreme (Fig.IV.61). Pe perioada regimului redus de funcţionare

aceste temperaturi ale planşeului tind spre aceeaşi valoare.

140

Fig.4.61 Variaţia temperaturii planşeului

IV.3.2 Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

Variaţia consumului electric al pompei de căldură (Fig.IV.62) şi al întregului sistem

(Fig.IV.63), pentru cele două cazuri, va fi aceeaşi, diferenţa rezultând din pornirea pompei

de căldură ce se realizează în avans cu o oră (pentru programul 2) faţă de programul 1. Este

evident că, în acest caz, consumul total al sistemului este mai ridicat pentru programul 2

faţă de programul 1.

Fig.IV.62 Variaţie consum pompă de căldură

141

Fig.IV.63 Variaţie consum sistem

În cazul variaţiei COP-ului pompei de căldură (Fig.IV.64) şi a întregului sistem

(Fig.IV.65), se păstrează proporţionalitatea amintită şi în studiile anterioare. Astfel, pentru

un consum ridicat al sistemului, care corespunde unei temperaturi interioare ridicate, avem

o valoare scăzută a COP-ului şi invers.

Fig.IV.64 Variaţie COP pompă de căldură

142

Fig.IV.65 Variaţie COP sistem

IV.3.3 Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Diferenţa, care s-a observat în cazul temperaturii planşeului, determină automat o

diferenţă între cantitatea de energie recuperată, utilizând programul 1, şi cantitatea de

energie recuperată, utilizând programul 2. În consecinţă, aportul auxiliar (Fig.IV.66)

necesar satisfacerii cerinţelor termice, în primul caz, este mai mare decât consumul auxiliar

pentru cazul al doilea. În afara acestui faptul se remarcă un aport auxiliar mai ridicat pentru

programul 2 în prima parte a zilei lucru datorat inerţiei termice a clădirii.

Fig.IV.66 Variaţia consumului auxiliar

143

IV.3.4 Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse de

pompa de căldură

Aportul auxiliar de energie termică (Fig.IV.67; Tab.IV.18), pentru încălzirea

clădirii 1, este mai mare pentru cazul 2 şi, în consecinţă, şi consumul electric (Fig.IV.68;

Tab.IV.19) este mai ridicat decât în cazul 1.

Fig.IV.67 Aport energie termică pentru încălzirea clădirii 1

pentru programe de funcţionare diferite

Fig.IV.68 Consum energie electrică al pompei de căldură pentru încălzirea clădirii 1

pentru programe de funcţionare diferite

144

Prog.1 Prog.1 Prog.2 Prog.2 kWh % kWh %

Aport auxiliar 66964 64 66827 66

Aport PAC 37342 36 34032 34 Tab.IV.18 Ponderea aportului de energie termică pentru încălzirea clădirii 1

pentru programe de funcţionare diferite

Prog.1 Prog.1 Prog.2 Prog.2 kWh % kWh %

Consum complementar 74404 91 74252 90

Consum PAC 7721 9 8482 10

Tab.IV.19 Ponderea consumului energetic electrică al pompei de căldură

pentru încălzirea clădirii 1 pentru programe de funcţionare diferite

IV.4 Influenţa temperaturii interioare asupra aportului termic

şi a consumului de energie electrică al pompei de căldură

Pe baza studiilor de caz 5 şi 6 a fost analizată influenţa temperaturii interioare

asupra aportului termic şi a consumului de energie electrică al pompei de căldură atât în

regim de încălzire, cât şi în regim de răcire.

IV.4.1 Regim încălzire

Acest studiu de caz a fost realizat pentru o perioadă de o lună şi anume luna

ianuarie, cea mai rece perioadă a anului. Astfel, s-a putut observa, mai bine modul în care

instalaţia cu pompă de căldură răspunde necesarului termic pe regimul de încălzire.

Clădirea utilizată în acest studiu este reprezentată de o clădire de laborator (clădirea 1), iar

zona climatică corespunde oraşului Bucureşti (zona 2).

În această analiză s-a urmărit influenţa temperaturii interioare pentru regimul de

încălzire asupra variaţiei temperaturii planşeului, variaţiei consumului auxiliar, variaţiei

consumului pompei de căldură şi a întregului sistem şi a variaţiei COP. Temperatura

145

interioară a fost menţinută la valoarea de 20oC (cazul 1), 21oC (cazul 2) şi, respectiv, 22oC

(cazul 3), prin intermediul unei surse auxiliare de energie termică reprezentată de o

centrală termică cu un randament η=90%.

Variaţia temperaturii planşeului

Dat fiind că pentru perioada analizată nu se îndeplineşte condiţia de oprire a

pompei şi anume T_ext=16oC, există o variaţie cu o amplitudine redusă a curbei de variaţie

a temperaturii planşeului (Fig.IV.69). Influenţa variaţiei temperaturii exterioare pentru

toate cele trei cazuri este destul de importantă, deoarece clădirea are o inerţie termică

scăzută. Diferenţa, care se observă pe grafic între curbele de variaţie aferente celor trei

cazuri, apare din cauză că avem temperaturi interioare impuse diferite. Astfel, diferenţa

între sursa rece, reprezentată de sol, şi sursa caldă, reprezentată de încăpere, este diferită de

la caz la caz. Cu cât temperatura interioară creşte, cu atât diferenţa este mai mare, iar

energia termică furnizată de pompa de căldură este mai redusă. Toate aceste elemente fac

ca temperatura planşeului să fie mai ridicată pentru o temperatură interioară mare, la

acelaşi moment de timp.

Fig.IV.69 Variaţia temperaturii planşeului

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

În cazul consumului de energie electrică, cu cât temperatura interioară creşte, cu

atât diferenţa între sursa rece, reprezentată de sol, şi sursa caldă, reprezentată de încăpere,

146

este mai mare, iar energia electrică auxiliară consumată de sistem este mai ridicată.

Deoarece nu se îndeplineşte condiţia de oprire a pompei şi anume Text=16oC, există o

variaţie aproape liniară a consumului pompei de căldură (Fig.IV.70) şi a întregului sistem

(Fig.IV.71) pentru toate cele trei cazuri. Se observă şi o serie de oscilaţii bruşte din cauza

funcţionării într-un regim tranzitoriu.

Fig.IV.70 Variaţie consum pompă de căldură

Fig.IV.71 Variaţie consum sistem

147

În cazul variaţiei COP-ului, atât în ceea ce priveşte pompa de căldură (Fig.IV.72),

cât şi întregul sistem (Fig.IV.73), pe întregul interval de timp, se păstrează invers

proporţionalitatea amintită şi în studiile anterioare. Astfel, pentru un consum ridicat al

pompei de căldură şi, respectiv, al sistemului care corespunde unei temperaturi interioare

ridicate, valoarea COP-ului este scăzută şi invers.

Fig.IV.72 Variaţie COP pompă de căldură

Fig.IV.73 Variaţie COP sistem

148

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Diferenţa, care se observă între curbele de variaţie corespunzătoare consumului

auxiliar (Fig.IV.74) pe toată perioada simulării, se datorează unei temperaturi interioare

impuse diferite. Astfel, diferenţa între sursa rece, reprezentată de sol, şi sursa caldă,

reprezentată de încăpere, este diferită. Cu cât temperatura interioară creşte, cu atât

diferenţa este mai mare, iar energia termică auxiliară, necesară satisfacerii cererii termice,

este mai ridicată.

Influenţa temperaturii exterioare asupra variaţiei consumului auxiliar este destul de

evidentă. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât energia termică, ce este introdusă

printr-o sursă auxiliară, este mai mare. Proporţionalitatea se păstrează pe întreg intervalul

de timp analizat şi se observă că, în cazul în care temperatura exterioară tinde spre valoarea

de 8-9oC, aportul auxiliar tinde spre zero.

Fig.IV.74 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Aportul de energie termică, ce provine dintr-o sursă auxiliară, creşte o dată cu

modificarea temperaturii interioare, deoarece necesarul termic al clădirii creşte, iar energia

termică produsă de pompa de căldură este aceeaşi (Fig.IV.75; Tab.IV.20).

149

Fig.IV.75 Aport energie termică pentru încălzirea clădirii 1

pentru temperaturi interioare diferite

Raportul dintre energia electrică complementară şi energia electrică consumată de

pompa de căldură este dependentă de timp (Fig.IV.76; Tab.IV.21). Astfel pentru o

temperatură interioară Tint=20oC, consumul electric complementar este cel mai scăzut, iar

Fig.IV.76 Consum energie electrică al pompei de căldură pentru încălzirea clădirii 1

pentru temperaturi interioare diferite

150

pentru o temperatură interioară Tint=22oC consumul electric complementar este cel mai

ridicat. Energia electrică consumată de pompa de căldură este aproximativ aceeaşi pentru

cele trei cazuri, proporţia între energiile electrice consumate modificându-se datorită

creşterii consumului electric complementar.

Ti_20oC Ti_20oC Ti_21oC Ti_21oC Ti_22oC Ti_22oC kWh % kWh % kWh %

Aport auxiliar 104006 58 116531 61 130006 63

Aport PAC 75807 42 75827 39 75839 37 Tab.IV.20 Ponderea aportului de energie termică pentru încălzirea clădirii 1

pentru temperaturi interioare diferite

Ti_20oC Ti_20oC Ti_21oC Ti_21oC Ti_22oC Ti_22oC kWh % kWh % kWh %

Consum complementar 115562 86 129479 87 144451 88

Consum PAC 19205 14 19138 13 19104 12

Tab.IV.21 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru încălzirea clădirii 1 pentru temperaturi interioare diferite

IV.4.2 Regim răcire

Acest studiu a fost realizat pentru o perioadă de o lună reprezentând luna iulie, cea

mai caldă perioadă a anului. Astfel, s-a putut observa, mai bine, modul în care instalaţia cu

pompă de căldură răspunde necesarului termic pe regimul de răcire. Clădirea, utilizată în

acest studiu, este reprezentată de o clădire de laborator (clădirea 1 – cap.III.3.3), iar zona

climatică corespunde oraşului Bucureşti (zona 2).

În această analiză s-a urmărit influenţa temperaturii interioare pentru regimul de

răcire asupra variaţiei temperaturii planşeului, variaţiei consumului auxiliar, variaţiei

consumului pompei de căldură şi a întregului sistem şi a variaţiei COP. Temperatura

interioară a fost menţinută la valoarea de 24oC, cazul 1, 25oC, cazul 2 şi, respectiv, 26oC,

cazul 3, prin intermediul unei surse auxiliare de energie de răcire reprezentată de o

instalaţie frigorifică cu compresie mecanică.

151

Variaţia temperaturii planşeului

În cadrul variaţiei temperaturii planşeului (Fig.IV.77), se observă o alternanţă a

perioadelor de funcţionare pentru fiecare din cele trei cazuri. Motivul existenţei acestei

alternanţe este reprezentat de variaţia temperaturii exterioare care determină, conform

automatizării, pornirea şi oprirea pompei de căldură şi implicit a pompelor de circulaţie.

Astfel, dacă temperatura exterioară depăşeşte valoarea de 26oC, atunci pompa de căldură

intră în funcţiune, iar dacă această temperatură scade sub valoarea de 22oC sistemul se

opreşte. Din cauză că există perioade scurte de funcţionare, diferenţele între curbele de

variaţie ale temperaturii planşeului, se observă destul de greu.

Fig.IV.77 Variaţia temperaturii planşeului

Evoluţia consumului electric al pompei de căldură şi al sistemului

În cazul consumului pompei de căldură (Fig.IV.78) şi a întregului sistem

(Fig.IV.79), cu cât temperatura interioară creşte, cu atât diferenţa între sursa rece,

reprezentată de sol, şi sursa caldă, reprezentată de încăpere, este mai mare, cu atât energia

electrică consumată de sistem este mai scăzută. Deoarece perioadele de funcţionare sunt

scurte, datorită oscilaţiei temperaturii exterioare în jurul valorilor de pornire/oprire,

diferenţa între curbele de variaţie corespunzătoare celor trei cazuri este redusă.

152

Fig.IV.78 Variaţie consum pompă de căldură

Fig.IV.79 Variaţie consum sistem

În cazul variaţiei COP-ului pompei de căldură (Fig.IV.80) şi al întregului sistem

(Fig.IV.81), se păstrează invers proporţionalitatea cea ce determină acelaşi fenomen ca şi

în cazul curbelor de variaţie ale consumului de energie al sistemului, şi anume graficul

153

surprinde diferenţa foarte mică între curbele de variaţie. Totuşi, se poate observa pe grafic

că unui consum electric ridicat îi corespunde o valoare scăzută a COP-ului şi invers.

Fig.IV.80 Variaţie COP pompă de căldură

Fig.IV.81 Variaţie COP sistem

154

Evoluţia aportului auxiliar de energie termică

Variaţia consumului auxiliar (Fig.IV.82) este dată de necesarul termic, ce trebuie

acoperit pentru a menţine o temperatură interioară de 24oC (cazul 1), 25oC (cazul 2) şi,

respectiv, 26oC (cazul 3). De asemenea, temperatura exterioară are un rol important după

cum se poate remarca pe grafic. Astfel, în perioadele de zi în care temperatura exterioară

are valori ridicate, necesarul termic nu poate fi acoperit doar prin intermediul pompei de

căldură, ceea ce determină un consum auxiliar important. Diferenţa între curbele de

variaţie este corelată cu diferenţa între valorile temperaturii interioare.

Fig.IV.82 Variaţia consumului auxiliar

Evaluarea consumului electric şi al energiei termice produse

Aportul de energie termică, ce provine dintr-o sursă auxiliară, creşte o dată cu

scăderea temperaturi interioare, deoarece necesarul de răcire al clădirii creşte, iar energia

termică produsă de pompa de căldură este aceeaşi în cele trei cazuri (Fig.IV.83;Tab.IV.22).

155

Fig.IV.83 Aport energie termică pentru răcirea clădirii 1

pentru temperaturi interioare diferite

Ti_24oC Ti_24oC Ti_25oC Ti_25oC Ti_26oC Ti_26oC kWh % kWh % kWh %

Aport auxiliar 20107 63 16365 58 12990 52

Aport PAC 11762 37 11762 42 11762 48 Tab.IV.22 Ponderea aportului de energie termică pentru răcirea clădirii 1

pentru temperaturi interioare diferite

Raportul dintre energia electrică complementară şi energia electrică consumată de

pompa de căldură este proporţională cu raportul energiei termice produsă de fiecare

(Fig.IV.84 a,b). Astfel, pentru o temperatură interioară Tint=24oC, consumul electric

complementar este cel mai ridicat, iar pentru o temperatură interioară Tint=26oC, consumul

electric complementar este cel mai scăzut. Energia electrică consumată de pompa de

căldură este aceeaşi pentru cele trei cazuri, proporţia între energiile electrice consumate

modificându-se datorită creşterii consumului electric complementar (Tab.IV.23).

156

Fig.IV.84.a Consum energie electrică al pompei de căldură pentru răcirea clădirii 1

pentru temperaturi interioare diferite (IF-COP=3.5)

Fig.IV.84.b Consum energie electrică al pompei de căldură pentru răcirea clădirii 1

pentru temperaturi interioare diferite (IF-COP=5)

157

Ti_24oC Ti_24oC Ti_25oC Ti_25oC Ti_26oC Ti_26oC kWh % kWh % kWh %

Consum complementar

(COP=3.5) 5745 70 4676 66 3711 61

Consum PAC 2416 30 2416 34 2416 39

Consum complementar

(COP=5) 4021 62 3273 58 2598 52

Consum PAC 2416 38 2416 42 2416 48

Tab.IV.23 Ponderea consumului de energie electrică al pompei de căldură

pentru răcirea clădirii 1 pentru temperaturi interioare diferite

158

CAPITOLUL V. Concluzii, contribuţii şi

direcţii de cercetare

Concluzii generale

Una dintre concluziile finale, şi poate cea mai importantă, este aceea legată de

influenţa temperaturii exterioare asupra funcţionarii întregului sistem ”pompă de căldură

geotermică-clădire”. În primul rând, vorbim de o influenţă directă a temperaturii exterioare

asupra temperaturii de suprafaţă a solului (aprox. 20 m) şi asupra temperaturii interioare a

clădirii. Deoarece solul şi clădirea reprezintă sursele termice a căror diferenţă de

temperatură determină eficienţa pompei de căldură, se poate spune că temperatura

exterioară are o influenţă puternică asupra COP-ului pompei de căldură şi al întregului

sistem.

Temperatura exterioară are, totodată, o influenţă indirectă asupra temperaturii

planşeului, deoarece schimbul termic între suprafaţa planşeului şi aerul interior depinde de

temperatura interioară, care este direct influenţată de temperatura exterioară.

Dat fiind faptul că există o influenţă directă a temperaturii exterioare asupra

temperaturii interioare, observăm că necesarul de încălzire sau de răcire, ce trebuie

asigurat, depinde foarte mult de această interacţiune. Pentru a putea acoperi integral acest

necesar este nevoie, pentru anumite cazuri, de un aport termic (pozitiv sau negativ) de la o

sursă auxiliară. Astfel se ajunge la concluzia că temperatura exterioară are o influenţă

esenţială asupra aportului termic al sursei auxiliare şi, cum aporturile depind de consumul

electric al sursei auxiliare, convertit pe baza eficienţei acesteia, putem spune că

temperatura exterioară influenţează indirect consumul sursei auxiliare.

Mai mult, temperatura exterioară influenţează şi consumul pompei de căldură.

Chiar dacă temperatura interioară este menţinută la o valoare constantă, influenţa

temperaturii exterioare asupra temperaturii stratului superficial al solului se reflectă în

cantitatea de energie termică preluată din sol/cedată solului şi, de aici, în consumul electric

al pompei de căldură.

O observaţie foarte importantă este aceea că, între consumul electric al pompei de

căldură şi coeficientul sau de performanţă (COP), există o relaţie de proporţionalitate

inversă. Cu cât consumul electric al pompei de căldură va creşte, cu atât COP va scădea şi

invers. Acest fenomen se datorează epuizării termice a solului.

159

În cazul în care necesarul termic al clădirii se doreşte a fi acoperit integral prin

intermediul pompei de căldură, înseamnă că aportul termic de la pompa de căldură trebuie

să satisfacă necesarul termic instantaneu al clădirii. Acest lucru duce la utilizarea unei

pompe de căldură cu o putere termică şi electrică foarte ridicată sau al unui sistem de

pompe de căldură cuplate, fapt ce va genera un consum mult prea mare pentru anumite

perioade, rezultând o eficienţă scăzută a pompei de căldură şi o investiţie costisitoare. Cu

alte cuvinte, soluţia optimă de utilizare a unei pompe de căldură pentru satisfacerea

necesarului de căldură sau de frig este de a se utiliza în paralel cu o sursă auxiliară

convenţională. În cazul în care se optează pentru soluţia de utilizare exclusivă a pompei de

căldură, trebuie avută în vedere realizarea unei automatizări optime.

Trebuie remarcat şi faptul că există o corelare între aportul de căldură/frig al

pompei de căldură şi cel al sursei auxiliare în funcţie de necesarul termic al clădirii.

Deoarece aportul pompei de căldură este constant, modificarea necesarului termic

influenţează doar variaţia aportului auxiliar. Totuşi, atât ponderile relative ale aporturilor

de încălzire/răcire ale sursei auxiliare, cât şi ale pompei de căldură se vor modifica.

Acelaşi fenomen se poate observa şi în ceea ce priveşte consumul electric al pompei de

căldură şi al sursei auxiliare.

Pentru a putea pune mai bine în evidenţă contribuţia energetică a pompei de

căldură, s-a evaluat variaţia consumului de energie primară atunci când se utilizează

pompa de căldură. Aceasta a fost calculata ca raport între energia primară în cazul utilizării

pompei de căldură şi energia primară în cazul utilizării doar a centralei termice (în calcule

s-a considerat: randamentul centralei termice ηCT = 0.8 şi randamentul producerii de

energie electrică ηpondere_eng.electrica = 0.33).

A = consumul de energie primară, dacă necesarul termic este în totalitate acoperit prin

intermediul unei centralei termice;

B = consumul de energie primară, dacă necesarul termic este parţial acoperit prin

intermediul unei centralei termice şi parţial acoperit prin intermediul unei pompe de

căldură, în funcţie de cazul studiat.

Astfel, pentru clădirea 1 am obţinut rezultatele reprezentate în figurile V.1 şi V.2.

160

Fig.V.1 Economia de energie primară prin folosirea PAC pentru clădirea 1 în regim de

încălzire pentru zone climatice diferite

Fig.V.2 Economia de energie primară prin folosirea PAC pentru clădirea 1 în regim de

încălzire pentru diferite puteri instalate ale pompei de căldură

Puterea instalată a pompei de căldură este un factor determinant în aportul de căldură

sau de răcire şi al consumului electric. Astfel, cu cât avem o putere instalată mai ridicată, cu

atât se obţine un aport de căldură sau răcire şi un consum electric mai ridicat şi invers.

161

Setarea unei temperaturi interioare la o anumită valoare determină un necesar

termic corespunzător. Când s-au simulat regimuri de funcţionare cu temperaturi interioare

diferite, s-a observat că variaţia necesarului termic influenţează direct aportul şi consumul

auxiliar.

Clădirea, prin caracteristicile sale de transfer termic (inerţie, conductivitate

termică), are o influenţă majoră în utilizarea sistemelor de pompă de căldură, deoarece

necesarul de încălzire sau de răcire şi timpul de intrare în regim a pompei de căldură sunt

puternic afectate de aceste caracteristici.

Contribuţii personale

În ceea ce priveşte contribuţia personală la această lucrare aş dori să amintesc, în

primul rând, modelarea în mediul informatic TRNSYS a sistemului de pompă de căldură

din standul experimental ce se află în clădirea Laboratorului de Instalaţii.

Pentru a putea utiliza modelul TRNSYS în cercetările mele ulterioare, a trebuit să

realizez validarea modelului pe baza măsurătorilor efectuate în standul experimental.

După validarea modelului, pentru o analiză detaliată a sistemului de pompă de

căldură cuplat cu clădirea, am realizat un model plecând de la cel validat pentru a putea

evalua influenţa diverşilor factori asupra încălzirii şi climatizării clădirii prin intermediul

pompelor de căldură.

Am realizat o schemă de analiză a factorilor ce influenţează funcţionarea pompei de

căldură, pentru a putea scoate mai uşor în evidenţă modalitatea şi gradul în care aceşti

factori duc la modificarea aporturilor de căldură şi de răcire şi a consumului electric al

pompei de căldură. Astfel, s-a putut observa importanţa fiecărui factor asupra eficienţei

pompei de căldură şi a întregului sistem.

Pentru o analiză cât mai exactă, care să poată evidenţia mai bine influenţa fiecărui

factor în parte, s-au stabilit criterii de evaluare precise :

- aporturile de căldură şi răcire ale pompei de căldura şi consumul electric

aferent;

- aporturile de căldură şi răcire ale sursei auxiliare;

- consumul electric aferent sau temperatura la nivelul planşeului.

De asemenea, am realizat o structurare a concluziilor desprinse pe baza evaluărilor

factorilor ce influenţează implementarea sistemelor de pompelor de căldură în clădiri.

162

Direcţii de cercetare viitoare

Prin intermediul acestei lucrări se deschid noi posibilităţi de analiză a sistemelor de

pompe de căldură. De asemenea, deoarece putem utiliza un model informatic în aceste

evaluări, putem realiza o serie largă de cercetări privind implementarea sistemelor de

pompe de căldură geotermice în clădiri.

Modelul TRNSYS, utilizat în această lucrare, poate fi un punct de plecare în

realizarea unor noi soluţii informatice de evaluare a pompelor de căldură.

Pe baza rezultatelor ce se pot obţine prin intermediul modelului TRNSYS realizat şi

a altor modele informatice, se poate realiza o structurare a criteriilor privind implementarea

sistemelor de pompe de căldură geotermice în clădiri.

Tot pe baza modelului informatic realizat se poate crea un sistem simplificat de

analiză ce ar putea fi utilizat în proiectarea sistemelor de pompe de căldură.

163

Bibliografie

[1] Apetroaei Şt., Evaluarea şi prognoza bilanţului apei din sol, Editura Ceres,

Bucureşti, 1983.

[2] Ataman H., Design of ground-source heat pump systems, MSc Thesis in

Mechanical Engineering, Graduate School of Natural and Applied Sciences,

Technical University of Istanbul, Turkey, 1991, p. 15.

[3] Axelsson G., Stefánsson V., Björnsson G., Liu J., Sustainable Management of

Geothermal Resources and Utilization for 100 – 300 Years, World Geothermal

Congress 2005, International Geothermal Association, apr. 2005

[4] Bacinschi D., Burciu Gh., Meteorologie, Editura Didactică şi Pedagogică,

Bucureşti, 1981.

[5] Babur N., Design and construction of an earth source heat pump, MSc Thesis in

Mechanical Engineering, Middle East Technical University, Ankara,

Turkey, 1986, p. 119.

[6] Balintoni I., Divizarea geotectonică a teritoriului României pentru orogeneza

alpină, Revista de Politica Ştiinţei şi Scientometrie, 2005, p. 39, ISSN-1582-1218.

[7] Banks D. L., An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and

Cooling, Wiley-Blackwell, ISBN 978-1-4051-7061-1.

[8] Batik H., Kocak A., Akkus I., Simsek S., Mertoglu O., Dokuz I., Bakir N.,

Geothermal energy utilisation development in Turkey, World Geothermal

Congress, 2000.

[9] Bădescu V., Economic aspects of using ground thermal energy for passive house

heating, Renewable Energy, vol. 32-6, 2007, p. 895-903.

[10] Bădescu V., Optimal control of flow in solar collector systems with fully mixed water

storage tanks, Energy Conversion and Management 49, feb. 2008, p. 169–184.

[11] Berbecel O., Stancu M., Ciovică N., Jianu N., Apetroaei Şt., Socor E., Rogodjan I.,

Agrometeorologie, Editura Ceres, Bucureşti, 1970.

[12] Birkeland, Peter W., Soils and Geomorphology, 3rd Edition, New York: Oxford

University Press, 1999.

[13] Bojörnsson J., Fridleifsson I.B., Hhelgason Th., Jonatansson J.M., Palmason G.,

Stefansson V., Thorsteinsson L., The potential role of geothermal energy and hydro

164

power in the world energy scenario in year 2020, Proceedings of the 17th WEC

Congress, Huston, Texas, 1998.

[14] Brousseau P., Lacroix M., Numerical simulation of a multi-layer latent heat thermal

energy storage system, International Journal of Energy Research 22, 1998, p. 1–15.

[15] Brown R. B., Soil Texture, University of Florida, Institute of Food and Agricultural

Sciences, sept. 2003.

[16] Buol S. W., Hole F. D., McCracken R. J., Soil Genesis and Classification, Ames,

IA: Iowa State University Press, 1973.

[17] Cataldi R. H., Lund J.W., Stories from a Heated Earth, Geothermal Resources

Council and International Geothermal Association.

[18] Ciulache S., Meteorologie şi Climatologie, Editura Universitară, Bucureşti, 2002.

[19] Collins P. A., Orio C. D., Smiriglio S., Geothermal heat pump manual, Department

of Design & Construction, aug. 2002.

[20] Cohut I., Bendea C., Geothermal Development Opportunities in Romania,

Geothermische Energie 24/25, Jahrgang Heft, Zurück, 1999.

[21] Colda I., Ardelean F., Meteorologie şi climatologie, Ed. Conspress,

Bucureşti, 2004, p. 220.

[22] Cui P., Yang H., Fang Z., Numerical analysis and experimental validation of heat

transfer in ground heat exchangers in alternative operation modes, Energy and

Buildings 40, 2008, p. 1060–1066.

[23] Deerman J.D., Kavanaugh S.P., Simulation of vertical U-tube ground-coupled heat

pump systems using the cylindrical heat source solution, ASHRAE Transactions

97, 1990, p. 287–295.

[24] Dickson M. H., Fanelli M., What is Geothermal Energy?, Pisa, Italy, Istituto di

Geoscienze e Georisorse, feb. 2004.

[25] Dissescu C.A., Luca I., Tudor M., Dăbuleanu M.L., Şoltuz V., Fizică şi

Climatologie agricolă, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1971.

[26] Dorneanu A., Dirijarea fertilităţii solului, Ed. Ceres, Bucureşti, 1976

[27] Dragomirescu E., Enache L., Agrometeorologie, Editura Didactică şi Pedagogică,

Bucureşti, 1998.

[28] Dumitrescu E., Curs de Meteorologie şi Climatologie, vol. I, Meteorologie, Centrul

de multiplicare al Universităţii din Bucureşti, 1973.

[29] Edwards R. J., Typical Soil Characteristics of Various Terrains, 15.02.1998.

[30] Eltron S., Warmepumpen-systeme planung und installation, 2000.

165

[31] Eskilson P., Thermal analysis of heat extraction boreholes, Doctoral thesis,

Department of Mathematical Physics, University of Lund, Sweden, 1987.

[32] Fleige H., Horn R., Field experiments on the effect of soil compaction on soil

properties runoff interflow and erosion, 2000.

[33] Fleige H., Horn R., Stange F., Soil mechanical parameters derived from the CA-

database, Adv. Geo-ecol. 35, 2002, p. 359–367.

[34] Fridleifsson I.B., Energy requirements for the next millenium, Conference

proceedings “On the Threshold: The United Nations and Global Governance in the

New Millennium”, Tokyo, United Nations University, ian. 2000.

[35] Fridleifsson I.B., Geothermal energy for the benefit of the people, European

Summer School on Geothermal Energy Applications, Oradea, 2001.

[36] Fridleifsson I.B., Bertani R., Huenges E., Lund J. W., Ragnarsson A., Rybach L., The

possible role and contribution of geothermal energy to the mitigation of climate

change, Hohmeyer O. & Trittin T. Ed., Luebeck, Germany, 11.02.2008, p. 59–80.

[37] Fujii H., Akibayashi S., Analysis of thermal response test of heat exchange wells în

ground-coupled heat pump systems, Shigen-to-Sozai, 2002, p. 75–80.

[38] Gavriliuc R., Pompe de căldură - de la teorie la practică, Editura MatrixRom,

1999, ISBN 973-9390-55-2.

[39] Gehlin S., Thermal response test-method development and evaluation, Ph.D.

Dissertation, Lulea University of Technology, 2002.

[40] Hahne E., Hornberger M., Experience with a solar heating ATES system for a

university building, Solar Energy Engng 116, 1994, p. 88–93.

[41] Hakansson I., Lipiec J., A review of the usefulness of relative bulk density values in

studies of soil structure and compaction, Soil & Tillage Research, Incorporating

Soil Technology, ELSEVIER , ian. 2000, vol. 53, no.2;

[42] Hanova J., Dowlatabadi H., Strategic GHG reduction through the use of ground

source heat pump technology, 9 nov. 2007.

[43] Hawlader M.N.A., Chou S.K., Ullah M.Z., The performance of a solar assisted

heat pump water heating system, Appl. Thermal Eng. 21, 2000, p. 1049–1065.

[44] Heinrich D., Hergt M., Atlas de l’écologie, 1993.

[45] Hepbasli A., Heat pumps systems and a storey-house heating, MSc Thesis in

Mechanical Engineering, Graduate School of Natural and Applied Sciences,

Technical University of Istanbul, Turkey, 1985, p. 134.

166

[46] Hepbasli A., Comparison of three experimental studies on geothermal heat pumps

at the Turkish universities, Proceedings of first international conference on

sustainable energy technologies, Porto, Portugal, 2002, p. 50–70.

[47] Hepbasli A., Performance evaluation of a vertical ground source heat pump system

in Izmir, Turkey, Energy Res., 2002, p. 1121–1139.

[48] Hepbasli A., Akdemir O., Hancioglu E., Experimental study of a closed loop vertical

ground source heat pump system, Energy Convers Manage, 2003, p. 527–548.

[49] Holm A., Geothermal Energy: International Market Update, Geothermal Energy

Association, mai 2010.

[50] Holihan P., Analysis of Geothermal Heat Pump, Manufacturers Survey Data.

[51] Horn R., H. van den Akker J.J.,Arvidson J., Subsoil compaction Advances in

geology, Reiskirchen, p. 258-268.

[52] Hüseyin B., Durmuş A., Evaluation of ground-source heat pump combined latent

heat storage system performance in greenhouse heating, Energy and Buildings,

vol. 41, Issue 2, feb. 2009, p. 220-228.

[53] Hutter G.W., The status of world geothermal power generation 1995-2000,

Geothermice 30.

[54] Inalli M., Esen H., Experimental thermal performance evaluation of 2 horizontal

ground-source heat pump system, App. Thermal Eng., 2004, p. 2219–2232.

[55] Inalli M., Esen H., Seasonal cooling performance of a ground-coupled heat pump

system in a hot and arid climate, Renew Energy, 2005, p. 1411–1424.

[56] James A., Geology and Soils, Danoff-Burg, Columbia University The Terrestrial

Influence, 1999.

[57] Kara Y.A., Yuksel B., Evaluation of low temperature geothermal energy through

the use of heat pump, Energy Convers Manage, 2000, p.773–81.

[58] Kara Y.A., Utilization of low temperature geothermal resources for space heating

by using groun-source heat pumps, PhD Thesis in Mechanical Engineering,

Graduate School of Natural and Applied Sciences, Ataturk University, Erzurum,

Turkey, 1999, p. 130.

[59] Katsunori N., Takao K., Sayaka T., Development of a design and performance

prediction tool for the ground source heat pump system, Applied Thermal

Engineering 26, 2006, p. 1578–1592.

[60] Kavanaugh S.P., Simulation experimental verification of vertical ground-coupled

heat pump systems, Ph.D. Dissertation, Oklahoma State University, 1984.

167

[61] Kavanaugh S.P., Using existing standards to compare energy consumption of

ground-source heat pumps with conventional equipment, ASHRAE

Transactions 98, 1992, p. 599–606.

[62] Kavanaugh S.P., Development of design tools for ground-source heat pump piping,

ASHRAE Transactions 104, 1998, p. 932–937.

[63] Kaygusuz K., Investigation of a combined solar heat pump system for residential

heating, Part 1: experimental results, Int J Energy Res., 2000, p. 1213–1223.

[64] Kilkis I.B., Methods of utilization of soil heat by using heat pumps in residential

areas built outside urban zones, Turk Thermal Sci, 1981, p. 21–25.

[65] Kovac M., Geodynamic evolution of the Carpatho-Pannonian Region during the

Neogene, Intern. Congr. Carpath.-Balk. Geol. Assoc., Bratislava, 2002.

[66] Kuang Y. H., Wang R. Z., Yu L. Q., Experimental study on solar assisted heat

pump system for heat supply, Energy Conversion and Management, vol. 44, Issue

7, mai 2003, p. 1089-1098.

[67] Lindal B., Industrial and other applications of geothermal energy, Armstead

H.C.H., Geothermal Energy, UNESCO, Paris, France, 1973.

[68] Lund J. W., Geothermics, The USA Geothermal Country Update, European

Geothermal Conference, 2003, p. 409–418.

[69] Lund, J. W., 100 Years of Geothermal Power Production, Geo-Heat Centre Quarterly

Bulletin, Klamath Falls, Oregon, Oregon Institute of Technology, sept. 2004.

[70] Lund J. W., Freeston D. H., Boyd T. L., World-Wide Direct Uses of Geothermal

Energy 2005, Proceedings World Geothermal Congress, Antalya, Turkey, Apr. 2005.

[71] Lund J. W., Characteristics, Development and utilization of geothermal resources,

Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin, Klamath Falls, Oregon, Oregon Institute of

Technology, iun. 2007.

[72] Lungu C.I., Optimizarea energo-economică a unui sistem de condiţionare a aerului

utilizând o maşină frigorifică cu absorbţie utilizând gaze naturale, Universitatea

Tehnică de Construcţii Bucureşti, Facultatea de Instalaţii, Bucureşti, 2004.

[73] Marin M.T., Organizarea campaniei de măsurări a staţiei experimentale, raport de

cercetare, decembrie 2009.

[74] Marin M.T, Modelarea funcţionarii unei pompe de căldură, raport de cercetare,

iunie 2010.

[75] Marin M.T, Evaluarea consumului de energie în clădiri echipate cu pompe de

căldură, raport de cercetare, octombrie 2010.

168

[76] Marin M.T, The influence of thermal storage on energetic performance of the heat

pump, Sesiunea de Comunicări Ştiinţifice a Şcolii Doctorale, Universitatea Tehnică

de Construcţii Bucureşti, 23.07.2010, p. 123-130, ISBN 987-973-100-129-6.

[77] Mehmet E., Thermal performance of a solar-aided latent heat store used for space

heating by heat pump, Solar Energy 69, 2000, p. 15–25.

[78] Mohan Gh., Ecologia şi protecţia mediului, Ed. Scaiul, Bucureşti,1993.

[79] Nakicenovic N., Gübler A., McDonald A., Global Energy Perspectives,

Cambridge Univ., 1998.

[80] Onica F., Bococi D., Studiu privind posibilitatea utilizării în Judeţul Bihor, a

sistemelor ce folosesc pompe de căldură subterane, Sesiunea Anuală de

Comunicări Ştiinţifice, Analele Universităţii din Oradea, Fascicola de Energetică,

vol. II, secţiunea III, Termoenergetică, 2001, p.287-292, ISSN 1224-1261.

[81] Onica F., Bococi D., Exploatarea căldurii din minerale abandonate folosind

pompele de căldură, Conferinţa de Inginerie Energetică, Fascicola de Energetică,

no. 8, vol. I, secţiunea 1, Tehnologii moderne de generare a energiei electrice şi

termice, 2002, p.58-63, ISSN 1224-1261.

[82] Panu D., Mitrofan H., Atlas of Geothermal Ressources in Romania, Atlas of

Geothermal Ressources of Europe, 2002, p. 61-66.

[83] Porneala S., Porneala Cr., Procese în instalaţii frigorifice şi pompe de căldură,

Comprimare mecanică de vapori, vol.I, Ed. Fundaţiei Universitare Dunărea de Jos,

Galaţi, 2004.

[84] Rybachl L., Sanner B., Ground-source heat pump systems: the European

experience, Quarterly Bulletin, Geo-Heat Center (GHC), mar. 2000, p. 16–26.

[85] Rybach L., Geothermal Sustainability, Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin,

Klamath Falls, Oregon, Oregon Institute of Technology, sept. 2007.

[86] Spitler J.D., Rees S.J., Yavuzturk C., Recent developments in ground source heat

pump system design, modeling and applications, CIBSE/ASHRAE Conference,

Dublin, sept. 2000, p. 34.

[87] Stănescu R., Bobirica L., Orbulet O., Remedierea solurilor contaminate, Ed. Agir,

Bucureşti, 2006.

[88] Steen J., Integrated CO2 Heat Pump Systems for Space Heating and DHW in low-

energy and passive houses, SINTEF, Energy Research.

[89] Stoica C., Cristea N., Meteorologia generală, Editura Tehnică, Bucureşti, 1971.

169

[90] Thain I. A., A Brief History of the Wairakei Geothermal Power Project, Geo-Heat

Centre Quarterly Bulletin, Klamath Falls, Oregon, Oregon Institute of Technology,

sept. 1998.

[91] Tiwari, G. N., Ghosal, M. K., Renewable Energy Resources: Basic Principles and

Applications, Alpha Science, 2005, ISBN 1842651250.

[92] Trillat B.V., Bernar S., Gilbert A., Coupling of geothermal heat pumps with

thermal solar collector, Applied Thermal Engineering 27, oct. 2007, p. 1750–1755.

[93] Turcotte D. L., Schubert G., Geodynamics, Cambridge, England, Cambridge

University Press, 2002, p. 136–137, ISBN 978-0-521-66624-4.

[94] Wang H., Qi C., Wang E., Zhao J., A case study of underground thermal storage in

a solar-ground coupled heat pump system for residential buildings, Renewable

Energy, vol. 34, Issue 1, ian. 2009, p. 307-314.

[95] William E.G., Geothermal Energy, Renewable Energy and the Environment Press, 2010.

[96] Yumrutas R., Ünsal M., Analysis of solar aided heat pump systems with seasonal

thermal energy storage in surface tanks, Energy, vol. 25, Issue 12, dec. 2000.

[97] Yumrutas R., Kunduz M., Ayhan T., Investigation of thermal performance of a

ground coupled heat pump system with a cylindrical energy storage tank, Int. J

Energy Res., 2003, p. 1051–1066.

[98] Zeng H.Y., Diao N.R., Fang Z.H., Efficiency of vertical geothermal heat exchangers in

ground source heat pump systems, Journal of Thermal Science 12, 2003, p. 77–81.

[99] Zöllner J., The Heat Pump: A Heating System for sustained Energy Savings,

Dublin, 12.05.2004.

[100] *** Encyclopedia of soil science, Chesworth, Edited by Ward, Dordrecht,

Netherland, 2008.

[101] *** Ground Source Heat Pump, Project Description, Earthwise Scotland Ltd.

[102] *** Heat pump program, International Energy Agency, Annual report, 2009.

[103] *** Heat pumps, Rehau Co.

[104] *** Heat pumps, Technical Information, Rehau Co.

[105] *** http://soils.usda.gov (Unites States Department of Agriculture, Natural

Resources Conservation Service)

[106] *** http://www.egec.org/

[107] *** http://www.frtr.gov (Federal Remediation Technologies Roundtable)

[108] *** http://www.geothermal-energy.org/

[109] *** http://www.iea.org/

170

[110] *** http://www.landfood.ubc.ca (Soil WEB – Faculty of Land and Food Systems,

University of British Columbia)

[111] *** Renewable Energies in Germany, Deutsche Energie Agentur.

[112] *** Renewables in global energy supply, International Energy Agency.

[113] *** Sisteme de pompe de căldură, Instructiuni de proiectare, Rehau Co.

[114] *** Soil survey manual, Handbook 18, Soil Survey Division Staff, Soil

Conservation Service, U.S. Department of Agriculture, 1993.

[115] *** Solid Minerals Reclamation Handbook, U.S. Department of the Interior Bureau

of Land Management (BLM Manual Handbook H-3042-1), 1992.

[116] *** TESS. 2000. TRNSYS 16, TESS component libraries, liquid-medium thermal

storage component models. www.trnsys.com/storage.htm.

[117] *** TESS. 2001. TRNSYS 16, TESS component libraries, HVAC component

models. www.trnsys.com/hvac.htm.

[118] *** TESS. 2003. TRNSYS 16, TESS component libraries, ground coupling

component models. www.trnsys.com/ground.htm.

[119] *** TESS. 2006a. TRNSYS 16, TESS component libraries, geothermal heat pump

component models, www.trnsys.com/ghp.htm.

[120] *** TESS. 2006b. TRNSYS 16, A transient system simulation program, Version

16.01.002. Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin, Madison, WI.

[121] *** The best course to energy savings for schools and universities, Geoexchange Co.

[122] *** The Canadian Renewable Energy Network, Commercial Earth Energy Systems.

[123] *** The Systems and Equipment, volume of the ASHRAE Handbook, Atlanta, 2004.