Monitorizarea temperaturii solului la o pompă de căldură de tip sol-apă

Conf.dr.ing Crăciun Adrian Virgil
e-mail:craciun@vega.unitbv.ro  
Catedra de Electronică şi Calculatoare,
Universitatea “Transilvania” din Braşov

CUPRINS

Rezumat – Lucrarea prezintă rezultatele monitorizării temperaturii solului pentru un sistem cu o pompă de căldură utilizat pentru încălzire în pardoseală.

Este prezentată şi o procedură de dimensionare a schimbatorului de caldura de tip sol-apă, care se bazează pe analiza temperaturii solului.

Temperatura solului, de la -1.8 la zero metri, a fost monitorizată în perioada sept. 2008-aprilie 2009.

Cuvinte cheie: temperatura pământului, schimbator de caldura sol-apă, pompă de căldură.

I. INTRODUCERE

Utilizarea indirectă a energiei solare se bazează pe capa­ci­ta­tea scoarţei Pământului de a stoca energia solară. De fapt, pământul este un colector masiv de energie solară, care absoarbe 46 la sută din energia soarelui care ajunge pe Pământ prin radiaţie, ceea ce inseamna de 500 de ori mai multă energie decât are nevoie populaţia pământului anual. Sursele regenerabile de energie sunt ecologice, deoarece aproximativ două treimi din energia pe care o livreaza provine din energia regenerabila din sol.

Costurile instalării unui astfel de sistem sunt mai mari decat la un sistem de încălzire convenţional, dar se pot genera economii de energie substanţiale. Costurile de întreţinere reduse şi durata de funcţionare mai ridicată conduce la costuri totale mai reduse. Durata de viaţă este de 20 de ani pentru pompele de căldură şi mai mult de 30 de ani pentru schimbatoarele de căldură sol-apă. [1]

A. Principiul pompei de caldură

Pompa de căldură functionează pe principiul frigiderului inversat, după cum se vede în diagrama din figura 1. [2] Amestecul de apă şi glicol este pompat în circuitul de sol, unde preia din căldura pamantului, temperatura lui creşte cu câteva grade (de la –2 la +2°C în exemplul dat) şi produce încălzirea agentul frigorific în evaporator.

Agentul frigorific este comprimat şi astfel îi creşte şi temperatura (pînă la circa 80°C). Gazul fierbinte cedează o parte din energia termică către agentul de încălzire din pardoseală, a cărui temperatură creşte de la 35°C la 50°C în acest exemplu) şi se condensează. La trecerea prin valva de expansiune presiunea scade, ceea ce duce şi la scaderea temperaturii (până la circa –20°C).

Se consumă energie electrică pentru compresor şi pentru pompele de circulaţie, însă energie extrasă din sol este de circa 3 ori mai mare decât energia electrică consumată.[3]

B. Încălzirea în pardoseală                              Încălzirea în pardoseală este un mod foarte eficient de incalzire pentru camerele unei case. Este relativ ieftin şi uşor de instalat, nu există radiatoare la vedere, nu necesită întreţinere, iar căldura este distribuita uniform în cameră.

Cu o reţea tipica de calorifere, cea mai mare parte a energiei  termice este irosită la înălţimea tavanului. Încălzirea în pardoseală încălzeşte aerul de deasupra podelei şi apoi aerul cald se ridica în spatiul de locuit, racindu-se pe masura ce se ridica. Cele două sisteme sunt comparate în figura 2.

În sistemele de încălzire în pardoseală cu apă caldă, apa încălzită este pompata într-o reţea de ţevi în pardoseală.

 C. Sistem rezidenţial cu pompă de căldură

Sistemul prezentat în această lucrare a fost pus în funcţiune într-o clădire nouă cu parter si mansardă, din Hălchiu, judeţul Braşov. Clădirea are o suprafaţă de 80 de metri pătrati la parter şi 50 de metri pătrati la mansarda, şi un volum total de aproximativ 350 de metri cubi. Izolaţie termică are o grosime de 5 cm pentru pereţi, 20 cm pentru acoperiş şi 3 cm pentru pardoseala. Încălzirea în pardoseală a fost utilizată în toate încăperile; s-au montat circa 900 de metri de conducte (tip Rehau, 17 mm diametru). Finisajul pardoselei s-a realizat cu gresie şi parchet laminat, iar covoarele sunt fie subţiri, fie foarte mici, pentru a permite transferul de căldură din podea.

Încălzirea prin pardoseală a fost folosita două luni (martie – aprilie 2008), cu o centrală termică în condensaţie de 30 kW, alimentată cu propan. Temperatura prin pardoseală trebuie să fie sub 55°C şi ciclul de lucru al centralei era foarte scurt (doar cateva minute) deoarece puterea era mult prea mare. În plus costul combustibilului este foarte mare. S-a luat decizia de a instala o pompă de căldură.

La un calcul preliminar a rezultat o putere necesară de circa 7 kW. S-a instalat o pompă de căldura de 10.5kW de tip EcoPart [5] de la CTC în toamna anului 2008. S-a aleasa soluţia unui schimbător de căldură sol-apă orizontal datorită costurilor de instalare relativ mici şi a suprafeţei relativ mari disponibilă în grădina.

Fig. 2.
Exemplu de distribuție a temperaturii pe verticală pentru încălzire prin pardoseală și pentru radiator – sistem de încălzire.
În cazul încălzirii în pardoseală, încălzirea se realizează în principal prin radiaţie, astfelîncât pierderile de căldură prinpereţişiplafoane sunt reduse.[4]

D. Schimbătorul de de căldură sol-apă orizontal

Schimbătorul de căldură orizontal constă dintr-o serie de conducte de polipropilenă (folosite la distribuţia apei) cu diametrul de 4 cm, instalate în şanţuri la 1-2 metri sub suprafata solului. Lungimea de conducte necesară este de

circa 35-55 de metri pentru un kW putere termică a pompei de căldură. [1]

Când suprafaţa de teren este limitata, se preferă utilizarea unei conducte spiralate, „Slinky”,  pentru a încăpea o lungime mai mare de conductă în zona excavată. După montarea conductei, şanţul este acoperit cu pământ. În cazul analizat s-a montat o conductă în spirală deoarece solul din grădină (cu nisip) nu a permis săparea de şanţuri înguste; realizarea practică este prezentată în fig. 3.

Lungimea conductei care urma a fi instalată a fost determinată pe baza unor experimente care analizează schimbul de temperatura dintre sol şi lichidul din conducte.

II. MĂSURĂTORI PRELIMINARE

Schimbul de căldură dintre sol şi lichidul din conducte este dificil de calculat; depinde de caracteristicile solului: temperatură, umiditate şi tipul solului. Dimensionarea teoretică a schimbatorului sol-apă este dificilă. [7]

Eu propun o metodă de determinare experimentală a schimbului de căldură între sol şi apă, pentru a calcula lungimea conductei ce trebuie îngropată în sol. Experimentul foloseşte o ţeavă curbata (de aproximativ 4 m lungime), îngropată în pământ, la adâncimea de instalare a conductele (1 … 1,5 m). Conducta curbata are un capăt în pământ şi celălalt capăt la suprafaţă; in interiorul conductei, în punctul de jos, este instalat un senzor de temperatură rezistent la apă. Capătul conductei din pământ este prevăzut cu un dop permeabil (poate fi o bucată de bumbac) care va permite apei să curgă şi va împiedică pătrunderea solului pentru a se putea realiza CUPRINS mai multe experimente succesive. Locaţia experimentului este prezentata în figura 4.

Experimentul foloseşte o conductă curbata (de circa 4 m lungime), îngropată în pământ la adâncimea de instalare a conductele (1 … 1,5 m). Conducta curbată are un capăt în pământ şi celălalt capăt la suprafaţă; în interiorul conductei, în punctul de jos, este instalat un senzor de temperatură rezistent la apă.

Capătul conductei din pământ este prevăzut cu un dop permeabil (poate fi o bucată de pânză) care va permite apei să curgă şi va împiedică pătrunderea solului pentru a se putea realiza mai multe experimente succesive.

Experimentul constă în umplerea conductei cu apă rece şi măsurarea temperaturii în timp, până la stabilizarea temperaturii. Rezultatele din figura 5 includ şi o curbă teoretică de tip exponenţial. Aceasta este o aproximare acceptabilă  pentru o constantă de timp de 32 minute.

III. CONSIDERAŢII DESPRE SCHIMBATORUL DE CĂLDURĂ SOL-APĂ

Căldura este transferată de la pământ spre pompa de căldură printr-un amestec de apă cu glicol, numit lichid Brine, cu punctul de îngheţ mai scăzut de –10°C. Acest lichid parcurge conductele şi se încălzeşte de la pământ. Pompa de căldură tip CTC impune următoarele condiţii:

– Câştigul de temperatura, dT, trebuie să fie 2…5°C [8];

– Temperatura minimă acceptată pentru lichidul Brine care vine din sol este de –5°C [9].

Pentru a putea calcula aceste valori trebuie cunoscută temperatura minimă a solului. Această temperatură depinde de adâncimea la care este instalată conducta şi temperatura medie anuală a localităţii. La o adâncime de 1,5 metri, temperatura minimă din figura 6 este de 6°C. Această valoare trebuie corectată cu diferenţa dintre temperatura medie a localităţii, care este de 7,3°C [10], faţă de temperatura medie din figura 6, de 10°C. Cu această corectură se estimează temperatura minimă la adâncimea de lucru ca fiind circa 3°C. Transferul de energie din pământ la lichidul Brine este un proces continuu, care poate fi explicat după cum urmează: terenul din imediata apropiere a conductei transferă energie lichidului din conducte, temperatura solului din apropierea conductei se reduce şi apare un gradient termic în pământ. Ca urmare a acestui gradient termic, energia termică se va transfera de la sol spre zona din jurul conductei. Pentru a simplifica analiza,

propunem să se considere acest proces împărţit în două faze şi să se considere două componente:

1. Scăderea de temperatură de la lichidul din conductă la solul de lângă conductă (considerată la intrarea în pompa de căldură, după ce lichidul a parcurs bucla), şi

2. Scăderea de temperatură între temperatura normală a pământului (la adâncimea data şi la o distanţă mare de conductă) faţă de temperatura solului lângă conducte.

Prima componentă depinde de timpul în care lichidul Brine parcurge întreaga conductă. Acest timp poate fi determinat folosind rezultatele experimentului anterior.

A doua componentă a fost estimată la 3°C (la începutul proiectului) şi va fi verificată după implementare.

Există, de asemenea, un gradient termic de câteva grade Celsius, de-a lungul conductei. Pentru a determina şi această valoare, sistemul de monitorizare măsoară temperatura în două puncte de-a lungul conductei:

– La intrarea în conductă dinspre pompa de căldura (lichidul are temperatură minimă la ieşire) şi

– La intrarea în pompa de căldură, la ieşirea dinspre sol (lichidul are temperatura maximă).

Schimbul de temperatură între lichidul din conducte şi sol determină lungimea necesară a conductei.

Debitul necesar de lichid Q (în conductele din pământ) depinde de: puterea de răcire (PR) şi de scăderea tem­peraturii lichidului (dT), datorată pompei de căldură [8]:

Q = 14.35 * PC /dT.

(1)

Puterea de răcire pentru CTC EcoPart 10.5 este de 7.69 kW [8] şi la scăderea temperaturii de 2-5 °C rezultă un debit de lichid de 55 l/min la 22 l/min.

 Conducta considerată, de tip PEM 40×2.4 mm, are un

volum de un litru pe metru. Lungimea maximă a conductei pentru un singur circuit poate fi 450 m (pentru EcoPart 10.5 CTC). Pentru o lungime mai mare vor fi folosite două circuite in paralel. [8]

Lungimea conductei recomandată pentru o casă este la 300 la 1000 de metri [8] sau 35 la 55 de metri pe kilowatt capacitate de încălzire. [1] Distanţa dintre con­ductele alăturate trebuie să fie mai mare de 1,5 m pentru a evita influenţa termică reciprocă. [8]

Pe baza acestor condiţii s-a considerat o lungime a conductei de 500 de metri. S-au instalat două conducte în paralel, la o adâncime de 1,4 … 1,5 metri.

Temperatura de ieşire din conducte şi intrare în pompa de căldură (TI) se poate estima pe baza timpului necesar lichidului pentru a parcurge conductele (tL):

	tL = V / Q	(2)
	TI = TG – (TG – TO) exp(–tL/t)	(3)

unde V este volumul de lichid în conducte (500 litri), TG este temperatura solului lângă conductă, TO temperatura lichidului Brine la ieşirea din pompă şi τ este constanta de timp a transferului termic sol-apă (32 min.) .

V. REZULTATE EXPERIMENTALE

În figura 7 se prezintă un exemplu de măsurători pentru cateva cicluri de funcţionare ale pompei de căldură.

În primul grafic „Gaz fierbinte” şi „Apă caldă” indică temperatura gazului fierbinte (după compresie) şi a apei calde trimise în pardoseală; acestea s-au măsurat pe durata de activitate a pompei de căldură.

În al doilea grafic este prezentată în detaliu temperatura pământului, împreună cu temperatura lichidului Brine la intrarea în pompa de căldură; temperatura la sfârşitul unui ciclu de funcţionare de trei ore este cu circa 1,5°C mai mică decât temperatura solului de lângă conductă .

Rezultatele monitorizării temperaturii solului pe parcursul sezonului de încălzire septembrie 2008 – aprilie 2009 sunt prezentate în figura 8.

Din primul grafic se poate observa că pământul are efect de integrare a temperaturii exterioare; la o adânci­me mai mare variaţiile de temperatura sunt mai mici.

În sezonul de încălzire temperaturile la –1.4 şi –1.8 m sunt aproape identice, iar temperatura minimă la adân­ci­mea conductei este de circa 4°C în februarie-martie.

Din al doilea grafic se constată o scădere a temperaturii între zona adiacentă conductei şi pământ (la aceeaşi adâncime) de aproximativ 3 … 4°C.

Din al treilea grafic rezultă gradientul de temperatură pe lungimea conductei, între capătul de ieşire (marcat cu „-1.4 m”) şi cel de intrare în pompa de căldură (marcat cu „-1.5 m”). Se poate observa că diferenţa de temperatură între aceste puncte este de aproximativ 2°C.

. CONCLUZII

Această lucrare prezintă rezultatele monitorizării tem­pe­raturii solului pentru schimbătorul de căldură sol-apă utilizat de o pompă de căldură. Datele sunt măsurate în Hălchiu, judeţul Braşov, din septembrie 2008 până în aprilie 2009, la o adâncime de la –1.8 la zero metri.

Lungimea conductei este estimată pe baza determinarii experimentale a transferului termic de la sol la lichidul din conduc­te.

Unele concluzii practice ale acestui studiu sunt:

– La adâncimea de –1.5 m, temperatura minimă a pământului este cu 3…4°C mai mică decât media anuală a regiunii;

– Scăderile de temperatură care apar la funcţionarea pompei de căldură sunt următoarele: 3…4°C de la pământ la zona din vecinătatea conductelor şi de 1…3°C de la solul din vecinătatea conductei la lichidul din conducte;

– O lungime a conductei îngropate în sol de 50 m / kW (putere termică) este suficientă în cazul prezentat.

Rezultatele pot fi folosite la proiectarea schimbătorului de căldură sol-apă orizontal utilizat de o pompă de căldură. Este explicat şi modul în care pot fi modificate rezultatele pentru situaţia practică concretă.

REFERINŢE BIBLIOGRAFICE
[1]   CANMET Energy Technology Centre Varennes, TECHNOSIM Consulting Group,  Commercial Earth Energy Systems: A buyer’s Guide, Renewable and Electrical Energy Division, Energy Resources Branch – Canada, 2002 ISBN 0-662-32808-6
[2]   Worcester-Bosh Group, Greenstore Ground Source Heat Pumps – Technical and Specification Information, June 2006.
[3]   Lund, J.; Sanner, B.; Rybach, L.; Curtis, R.; Hellström, G., „Geothermal (Ground Source) Heat Pumps, A World Overview”, Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Oregon Institute of Technology) 25 (3): pp. 1–10, Sep. 2004, ISSN 0276-1084.
[4]   Renewable Energy UK, www.reuk.co.uk/Under-Floor-Heating.htm.
[5]   *** CTC EcoPart Product Specification, CTC Sweden, 2007.
[6] *** LM35 – Senzor de temperatură centigrad de precizie, National Semiconductor, 2000, www.national.com.
[7]   Bloomquist, R. Gordon, “Geothermal Heat Pumps, Four plus Decades of Experience”, Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon Institute of Technology) 20 (4): pp. 13–18, Dec. 1999, ISSN 0276-1084.
[8]   Serban Cristian, Curs Pompe de caldura CTC EcoHeat/EcoAir (CTC Heat Pumps  Course), TermoMax Romania, 2007.
[9]   *** Manual de instalare si întretinere – CTC EcoPart, 2007.
[10] Bogdan O., Niculescu E., “Aspecte climatice specifice ale depresiunilor Giurgeu, Ciuc, Braşov” Factori şi procese pedogenetice (serie nouă), vol. 2, Univ. „Al. I. Cuza” Iaşi, 2004.
[11] Pompa de căldură sol-apă – Căldura pământului, www.pompedecaldura 2005.ro