O pompă de căldură este un dispozitiv care transferă energia termică dintr-o sursă de căldură în ceea ce se numește rezervor termic. Pompele de căldură deplasează energia termică în direcția opusă transferului de căldură spontan, prin absorbția căldurii dintr-un spațiu rece și eliberarea acesteia în unul mai cald.
O pompă de căldură folosește puterea externă pentru a realiza transferul de energie de la sursa de căldură la radiator.
Cel mai obișnuit design al unei pompe de căldură implică patru componente principale – un condensator, o supapă de expansiune, un evaporator și un compresor. Mediul de transfer de căldură circulat prin aceste componente este denumit agent frigorific.
În timp ce aparatele de aer condiționat și congelatoarele sunt exemple familiare de pompe de căldură, termenul „pompă de căldură” este mai general și se aplică multor dispozitive de încălzire, ventilație și climatizare (HVAC) utilizate pentru încălzirea spațiului sau răcirea spațiului.
Pompele de căldură pot fi de obicei utilizate fie în modul de încălzire, fie în modul de răcire, după cum solicită utilizatorul. Atunci când o pompă de căldură este folosită pentru încălzire, utilizează același ciclu de bază de tip frigorific folosit de un aparat de aer condiționat sau un frigider, dar în sens invers – eliberând căldura în spațiul condiționat, mai degrabă decât în mediul înconjurător. În această utilizare, pompele de căldură atrag, în general, căldura din aerul răcoritor exterior sau de la sol.
Pompele de căldură sunt folosite tot mai mult pentru încălzirea apei calde menajere, apa caldă folosită pentru bucătării, băi, spălătorii de haine etc.
În modul de încălzire, pompele de căldură sunt semnificativ mai eficiente din punct de vedere energetic decât încălzitoarele electrice simple, dar numai la anumite temperaturi. Pe măsură ce temperaturile scad (sub -1 grad C), eficiența pompei de căldură în regim de încălzire devine marginală.
Atunci când se discută despre eficiența pompelor de căldură, se folosesc în mod obișnuit următorii termeni: coeficientul de performanță (COP), coeficientul de performanță sezonier (SCOP) și factorul de performanță sezonieră (SPF). Cu cât este mai mare numărul, cu atât este mai eficientă o pompă de căldură, cu atât consumă mai puțină energie și cu atât este mai eficient din punct de vedere al costurilor.
Există mai mulți factori care vor afecta eficiența unei pompe de căldură, cum ar fi echipamentele auxiliare, tehnologia, dimensiunea și sistemul de control, dar și condițiile de temperatură și umiditate: eficiența scade atunci când diferența de temperatură crește sau când poate apărea înghețarea.
Pompele mecanice de căldură sunt doar practic un frigider închis în exterior și supradimensionat. Pentru a face față fluxului mai mare de energie, pompele sau ventilatoarele sunt necesare atunci când un frigider are nevoie doar de schimbătoare pasive.
Pompele de căldură exploatează proprietățile fizice ale unui fluid care se evaporă și se condensează cunoscut sub numele de agent frigorific. Pompa de căldură comprimă agentul frigorific pentru ca acesta să fie mai cald pe partea de încălzit și eliberează presiunea în partea în care este absorbită căldura.
Fluidul de lucru, în starea sa gazoasă, este presurizat și circulat prin sistem de un compresor. Pe partea de descărcare a compresorului, vaporii acum fierbinți și foarte presurizați sunt răciți într-un schimbător de căldură, numit condensator, până când se condensează într-un lichid de temperatură moderată, de înaltă presiune.
Refrigerantul condensat trece apoi printr-un dispozitiv de reducere a presiunii numit și dispozitiv de dozare. Acesta poate fi o supapă de expansiune, un tub capilar sau, eventual, o turbină.
Agentul frigorific lichid de joasă presiune intră apoi într-un alt schimbător de căldură, evaporatorul, în care lichidul absoarbe căldura și fierbe. Refrigerantul revine apoi la compresor și ciclul se repetă.
Este esențial ca agentul frigorific să atingă o temperatură suficient de ridicată, atunci când este comprimat, pentru a elibera căldura prin schimbătorul de căldură „cald” (condensatorul). În mod similar, fluidul trebuie să atingă o temperatură suficient de scăzută atunci când i se permite să se extindă, sau altfel, căldura nu poate curge din regiunea rece a mediului în fluid în schimbătorul de căldură rece (evaporator). În special, diferența de presiune trebuie să fie suficient de mare pentru ca lichidul să se condenseze pe partea fierbinte și să se evapore în continuare în regiunea de presiune mai scăzută la partea rece. Cu cât este mai mare diferența de temperatură, cu atât este mai mare diferența de presiune necesară și, în consecință, cu atât mai multă energie necesară pentru comprimarea fluidului. Astfel, la fel ca în cazul tuturor pompelor de căldură, coeficientul de performanță (cantitatea de energie termică deplasată pe unitatea de lucru necesară) scade odată cu creșterea diferenței de temperatură.
Aplicații
Există milioane de instalații interne care folosesc pompe de căldură la sursa de aer. Acestea sunt utilizate în climatele cu necesități moderate de încălzire și răcire a spațiului (HVAC) și pot furniza, de asemenea, apă caldă menajeră.
Încălzire, ventilație și aer condiționat
În aplicațiile de încălzire, ventilație și climatizare (HVAC), o pompă de căldură este de obicei un dispozitiv de refrigerare cu compresie de vapori care include o supapă de inversare și schimbătoare de căldură optimizate, astfel încât direcția fluxului de căldură (mișcarea energiei termice) să poată fi inversată. Supapa de inversare schimbă direcția refrigerantului prin ciclu și, prin urmare, pompa de căldură poate furniza încălzire sau răcire într-o clădire. În climatele mai reci, setarea implicită a supapei de inversare este încălzirea.
Setarea implicită în climatele mai calde este răcirea. Deoarece cele două schimbătoare de căldură, condensatorul și evaporatorul, trebuie să schimbe funcțiile, acestea sunt optimizate pentru a funcționa corespunzător în ambele moduri. Prin urmare, ratingul SEER, care este Ratingul sezonier al eficienței energetice, a unei pompe de căldură reversibile este de obicei puțin mai mic decât două mașini optimizate separat. Pentru ca echipamentele să primească ratingul Energy Star, acesta trebuie să aibă un rating de cel puțin 14,5 SEER.
Încălzire a apei
În aplicațiile de încălzire a apei, pompa de căldură poate fi folosită pentru încălzirea sau preîncălzirea apei pentru piscine sau pentru încălzirea apei potabile pentru utilizare de către case și industrie. De obicei, căldura este extrasă din aerul exterior și transferată într-un rezervor de apă din interior, o altă varietate extrage căldură din aerul interior pentru a ajuta la răcirea spațiului.
Încălzire urbană
Pompele de căldură pot fi integrate în sistemele de termoficare, mai ales dacă acestea sunt operate cu temperaturi scăzute.
Pompele de căldură pot fi de asemenea utilizate ca furnizor de căldură pentru încălzirea în regiune. Sursele de căldură posibile pentru astfel de aplicații sunt apa uzată, apa de mediu (cum ar fi apa de mare, lac și râu), căldura reziduală industrială, energia geotermală, gazele de ardere, căldura de la stocarea căldurii solare. În Europa, peste 1980 MW au fost instalate încă din anii 1980, dintre care aproximativ 1000 MW au fost utilizate în Suedia în 2017. Pompele de căldură la scară largă pentru încălzirea în regiune combinate cu stocarea energiei termice oferă o flexibilitate ridicată pentru integrarea energiei regenerabile variabile. Prin urmare, ele sunt considerate o tehnologie cheie pentru sistemele de energie inteligentă, cu o cotă mare de energie regenerabilă până la 100% și sisteme avansate de încălzire districtuală din a 4-a generație. E mai avantajos un astfel de sistem decât folosirea unei centrale temice? E discutabil Probabil pentru un apartament este mai avantajoasă centrala, dar pentru un ansamblu rezidențial, o unitate de producție sau o școală, pompa de căldură ar putea fi o alegere mai potrivită.
Încălzire industrială
Există un potențial mare de a reduce consumul de energie și emisiile de gaze cu efect de seră aferente în industrie prin aplicarea pompelor de căldură industriale. Un proiect de colaborare internațională finalizat în 2015 a strâns în total 39 de exemple de proiecte de cercetare-dezvoltare și 115 studii de caz la nivel mondial. Studiul arată că perioade scurte de rambursare sunt posibile (mai puțin de 2 ani), se poate realiza o reducere ridicată a emisiilor de CO2 (în unele cazuri mai mult de 50%).
