Cap 04-2007  Aparate de condiţionare şi pompe termice cu surse neconvenţionale

 

Dr.-Ing. Teodor TERETEAN

 

În mod uzual, „răcirea” unităţilor exterioare (condensatoarele) aparatelor de aer condiţionat se face, vara, cu aer din exterior.

Analog, acelaşi aer atmosferic este folosit pentru „încălzirea” unităţilor exterioare (evaporatoarele) pompelor termice folosite pentru încălzirea apartamentelor, toamna sau primăvara.

 În cele ce urmează se vor prezenta unele echipamente care, pentru scopurile menţionate, folosesc apa în locul aerului.

Pe această cale s-a ajuns, treptat, să fie utilizate aşa-numitele surse neconvenţionale de energie (pământul, apa reziduală, apa din lacuri etc.) pentru răcirea sau încălzirea caselor noastre.

 

Aparatul de aer condiţionat clasic

Este cel mai simplu aparat folosit pentru răcirea încăperilor din casele noastre.

În esenţă are patru componente de bază, dispuse în circuit închis, într-o anumită ordine: compresorul de freon, condensatorul (o baterie caldă + un ventilator), ventilul de expansiune şi evaporatorul (o baterie rece + un ventilator).

În cazul aparatului clasic de condiţionare, care doar răceşte aerul (Only Cooling) aceste componente sunt aşezate astfel:

-     În unitatea interioară (montat în cameră) se află evaporatorul plus un prim ventilator, care vehiculează aerul în cameră,

-     În unitatea exterioară (montat pe peretele exterior al casei) se află condensatorul plus al doilea ventilator, care îl răceşte cu aer atmosferic.

Funcţionarea, oarecum simplificată, a acestui aparat este următoarea:

-     Aerul este aspirat din încăperea climatizată de către ventilatorul unităţii interioare, filtrat, răcit în bateria evaporatorului şi reinsuflat în încăpere,

-     Căldura preluată de freonul din evaporator este transferată, cu ajutorul compresorului, care îi ridică acestuia presiunea (şi temperatura), în condensator unde freonul este forţat de al doilea ventilator să o cedeze aerului de „răcire” atmosferic pe care îl încălzeşte,

-     Urmează întoarcerea către evaporator a freonului astfel răcit după ce, la trecerea prin ventilul de expansiune, îşi scade presiunea (şi temperatura)

-     Apoi ciclul se reia.

Un termostat de perete ne permite să fixăm, atât temperatura dorită în încăpere, cât şi viteza de rotaţie a ventilatorului unităţii interioare; restul funcţionează automat.

De subliniat că, odată cu scăderea temperaturii aerului interior, bateria evaporatorului condensează şi o parte din vaporii de apă conţinuţi de acesta; condensul rezultat se evacuează, în exterior, printr-o ţeavă separată.  

 

Pompa termică aer-aer

Este aparatul de condiţionare descris mai înainte la care, simplificat spus, s-a operat o „mică” modificare prin introducerea a două ventile (robinete) electromagnetice de inversare.

Aceste ventile permit ca, în sezonul rece, evaporatorul din cameră să „devină” noul condensator, iar condensatorul de afară devine un nou evaporator.

Consecinţa principală a schimbării este faptul că unitatea interioară (noul condensator) va încălzi aerul din cameră, în timp ce unitatea exterioară (noul evaporator) va răci aerul exterior, de aici extrăgându-se căldura introdusa de aparat în casă.  

O pompă termică aer-aer va încălzi suficient de bine o încăpere atâta timp cât temperatura aerului exterior va oscila în intervalul 0…+10 oC.

Odată cu apariţia frigului apar două fenomene nefavorabile:

-      Puterea termică a aparatului scade direct proporţional cu temperatura aerului exterior (care „spală” noul-evaporator),

-     La temperaturi sub -5…-10 oC apare fenomenul depunerii de gheaţă pe bateria unităţii exterioare (givrare) care conduce la oprirea automată, periodică, a aparatului pentru efectuarea operaţiunii de dezgheţare (degivrare); pe timpul degivrării aparatul nu mai încălzeşte.

 

Aparatele de condiţionare şi pompele termice aer-apă

Aceste echipamente au funcţionarea similară cu a celor descrise mai înainte, dar în alcătuirea lor a fost operată o modificare esenţială: vara, condensatoarele sunt răcite şi iarna, evaporatoarele sunt „încălzite” cu apă din exterior.

Sursele de apă (deci de energie) care pot fi folosite sunt:

-     Apă de puţ (freatică normală) sau, chiar, geotermală,

-     Apă trecută prin serpentine îngropate (orizontal sau vertical) în pământ,

-     Apă trecute prin serpentine cufundate în lacuri etc.

În acest fel au dispărut unităţile exterioare, de tip atmosferic, acestea fiind înlocuite cu schimbătoare de căldură coaxiale apă-freon, care sunt montate în aceeaşi carcasă cu restul componentelor echipamentului, devenit astfel o unitate monobloc.

Noile aparate se pot monta, orizontal sau vertical, în tavanul fals sau într-o centrală de subsol, aerul răcit (vara) sau încălzit (iarna) putând fi distribuit în casă prin canale de aer, izolate termic; aparatul poate avea pe aspiraţie montată o ramificaţie suplimentară pentru preluarea de aer proaspăt (pentru ventilare).

Iată câteva moduri de racordare a acestor aparate la sursa exterioară de energie.

 

Aparate racordate la serpentine orizontale îngropate în pământ (Fig 1)

Acest mod de montare utilizează pământul ca masiv termic: vara, pentru a prelua căldura „trimisa” şi iarna, pentru a ceda căldură „cerută” de echipament.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Se folosesc în cazurile în care se dispune de teren suficient, relativ uşor de excavat.

Echipamentul propriu-zis se poate monta într-o centrală la subsol.

Şanţurile exterioare clădirii, în care se montează serpentinele, trebuie să se afle sub adâncimea de îngheţ a zonei locuinţei (de ex. în Bucureşti 0,80…1,00 m), adâncimea recomandată începând de la 1,50 m în jos.

Serpentinele se montează în pachete (bucle) la diferite nivele, conform unor calcule amănunţite  astfel încât pământul să poată înmagazina (vara) sau, după caz, ceda (iarna) căldura necesară.

Utilizarea sistemului presupune luarea în considerare a unor factori care trebuie determinaţi: caracteristicile termotehnice ale solului, prezenţa pânzei freatice, sarcinile care ar putea apăsa solul (de ex. drumuri) etc.

 

Aparate racordate la serpentine verticale îngropate în pământ (Fig 2)

Şi aici se utilizează pământul ca masiv termic: vara, pentru a prelua căldura „trimisă” şi iarna, pentru a ceda căldură „cerută”, de către echipament.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mai puţin favorabilă ca investiţie, soluţia tehnică are avantajul adâncimii mai mari a masivului termic, care va fi sursa de energie.

Se folosesc în cazurile în care terenul aferent casei este insuficient sau unde nu sunt condiţii favorabile de săpat pe orizontală.

Fiecare buclă, în formă de U, este montată în câte un puţ cilindric cu adâncimea cuprinsă între 50 şi 80 m, în funcţie de caracteristicile termotehnice ale solului, pentru fiecare 3,50 kW putere frigorifică, după caz.

După montarea serpentinelor în puţuri se toarnă o soluţie specială (de ex. lapte de ciment) pentru a se asigura un bun contact termic cu solul.

Şi în acest caz trebuie cunoscute: caracteristicile termotehnice ale solului, prezenţa pânzei freatice, sarcinile care ar putea apăsa solul etc.

 

Aparate racordate la serpentine orizontale amplasate pe fundul unui lac (Fig 3)

În acest caz, ca masiv termic, se foloseşte un lac sau un iaz.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Investiţia este extrem de favorabilă, soluţia tehnică având şi avantajul uşurinţei verificării periodice a stării în care se afla serpentinele (ţevi cu aripioare) plasate pe fundul lacului.

Se recomandă ca lacul să aibă o adâncime de min. 2,50 m şi o suprafaţă de peste 2000 m2.

Datorită particularităţilor generate de folosirea apei ca masiv termic rezultă avantaje considerabile de investiţie şi exploatare.

 În acest caz trebuie avute în vedere anumite elemente ca: probleme juridice asupra legalităţii folosirii lacului, siguranţa existenţei unei suprafeţe şi a unor adâncimi constante în timp a apelor lacului, lipsa depunerilor de mâl sau a deşeurilor în lac etc.

 

Aparate racordate la serpentine alimentate cu apă în circuit deschis (Fig 4)

În acest caz se foloseşte apa extrasă dintr-o pânză freatică; după folosire aceasta, fie este vărsată într-un lac de suprafaţă (ca în figură), fie este reinjectată în pământ (cazul pânzei geotermale).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Deşi investiţia rămâne costisitoare, soluţia tehnică are avantajul unei temperaturi mai ridicate în cazul apei geotermale (favorabilă iarna în cazul încălzirii clădirii).

În acest caz trebuie avute în vedere anumite elemente ca: probleme juridice asupra legalităţii folosirii pânzei freatice, siguranţa existentei unui debit şi a unei temperaturi cvasi-constante a apei extrase, existenţa caracteristicilor corozive ale apei geotermale etc.

 

Câteva date tehnice

Pe piaţa noastră se găsesc aparate de condiţionare şi pompe termice aer-apă (Fig. 5), utilizate deja în investiţii importante.

Debitele de aer vehiculate de aparatele utilizate în domeniul rezidenţial-comercial variază între 300 şi 6800 m3/h, puterile de răcire a aerului variind între 1,50 şi 37,50 kW, iar cele de încălzire între 1,20 şi 40,50 kW; evident cele industriale sunt mult mai mari.

Un aparat estimat a se utiliza în cazul unei case, cu o suprafaţă utilă de 120… 150 m2, şi care se poate alimenta cu apă din pânza freatică, are următoarele caracteristici tehnice:

-       Debit de aer 2400 m3/h,

-       Debit de apă 2,5 m3/h,

-       Putere frigorifică 15,9 kW (vara, pentru temperatura apei de +15 oC),

-       Putere termică 13,8 kW (iarna, pentru temperatura apei de +10 oC),

-       Putere absorbită 3,0…3,6 kW,

-       Dimensiunile aparatului L x l x H = 0,78 x 0,65 x 1,28 m (varianta verticală),

-       Dimensiunile aparatului L x l x H = 1,80 x 0,65 x 0,54 m (varianta orizontală).

 

-       Debit de aer 2400 m3/h,

-       Debit de apă 2,5 m3/h,

-       Putere frigorifică 15,9 kW (vara, pentru temperatura apei de +15 oC),

-       Putere termică 13,8 kW (iarna, pentru temperatura apei de +10 oC),

-       Putere absorbită 3,0…3,6 kW,

-       Dimensiunile aparatului L x l x H = 0,78 x 0,65 x 1,28 m (varianta verticală),

-       Dimensiunile aparatului L x l x H = 1,80 x 0,65 x 0,54 m (varianta orizontală).

Dacă se foloseşte apa trecută prin serpentine îngropate în pământ puterile sunt:

-       Putere frigorifică 14,5 kW (vara, pentru temperatura apei de +25 oC),

-       Putere termică 11,23 kW (iarna, pentru temperatura apei de 0 oC),

-       Putere absorbită 3,3…3,6 kW.

Observaţii:

-       În funcţie de zona climatică şi de configuraţia casei, pentru suprafaţa utilă menţionată, ar putea fi necesare 1-2 bucăţi pentru răcire (vara) şi 2-3 bucăţi pentru încălzire (iarna), conform unor calcule exacte; există şi posibilitatea montării unui singur aparat, mai mare.

-       Apa caldă pentru consumul menajer se prepară, fie prin echipamente clasice, fie prin pompe de căldură apă-apă.

 

Concluzii

Nu încape nici o îndoială că, ţinând seama de evoluţia măsurilor de limitare a  consumurilor energetice în viitorul apropiat, folosirea acestor tipuri de aparate de răcire şi încălzire a aerului, acolo unde condiţiile o permit, constituie una din soluţiile demne de luat în consideraţie.

Articol publicat în Revista UTIL, Anul VI, nr. 4 / 2007