Cum poate un aparat să producă 4 kW de căldură consumând doar 1 kW de curent? Principiul pompei de căldură, pe înțelesul tuturor
Pompa de căldură este astăzi una dintre cele mai discutate soluții de încălzire, atât pentru casele noi, cât și pentru renovări. Ideea de bază pare, la prima vedere, greu de crezut: aparatul livrează în casă de câteva ori mai multă căldură decât energia electrică pe care o consumă.
Nu e niciun truc și nicio încălcare a legilor fizicii. Pompa de căldură nu produce căldură din curent, așa cum face un calorifer electric. Ea mută căldura dintr-un loc mai rece într-unul mai cald, iar curentul electric este folosit doar pentru acest transport.
Primul lucru de știut: căldura nu urcă singură „la deal”
În mod natural, căldura trece întotdeauna de la corpul mai cald la cel mai rece. Ceaiul fierbinte se răcește în cameră, nu invers. Pentru a muta căldura în sens opus, adică din aerul rece de afară în casa caldă, este nevoie de energie din exterior. Aceasta este consecința directă a principiului al doilea al termodinamicii.
O analogie utilă este pompa de apă. Apa curge singură la vale, dar ca s-o urci la etaj ai nevoie de o pompă. La fel, pompa de căldură „ridică” energia termică de la o temperatură joasă la una mai înaltă. Energia pe care o consumă pentru asta este mult mai mică decât cantitatea de căldură transportată.
Cel mai cunoscut exemplu de pompă de căldură se află în bucătăria fiecăruia: frigiderul. El scoate căldura din interior și o eliberează în cameră, prin grila din spate. Aparatul de aer condiționat face același lucru, între cameră și exterior. Pompa de căldură pentru încălzire funcționează identic, doar că „frigiderul” este întors: răcește mediul exterior și încălzește casa.
Cum funcționează: ciclul agentului frigorific
Inima pompei de căldură este un fluid special, numit agent frigorific, care circulă într-un circuit închis. Proprietatea lui esențială este că fierbe (se evaporă) la temperaturi foarte scăzute. În plus, temperatura la care fierbe sau condensează depinde de presiunea la care se află. Ciclul are patru etape:
- Evaporatorul — preluarea căldurii. Agentul frigorific, rece și la presiune joasă, trece printr-un schimbător de căldură aflat în contact cu sursa rece: aerul exterior, solul sau apa freatică. Chiar dacă sursa are doar 0°C, agentul este și mai rece. El preia căldură și se evaporă.
- Compresorul — ridicarea temperaturii. Vaporii sunt aspirați și comprimați. Prin comprimare, presiunea și temperatura cresc puternic. Aceasta este etapa în care se consumă energie electrică.
- Condensatorul — cedarea căldurii. Vaporii fierbinți ajung într-un al doilea schimbător de căldură, unde cedează căldura agentului termic din casă (apa din instalație sau aerul din încăpere) și condensează, redevenind lichid.
- Ventilul de expansiune — scăderea presiunii. Lichidul trece printr-un ventil de laminare, unde presiunea scade brusc, iar odată cu ea și temperatura. Agentul ajunge din nou rece și poate relua ciclul în evaporator.
Căldura livrată în casă este suma dintre căldura preluată gratuit din mediu și energia consumată de compresor. De aici provine câștigul.
Notă: Pentru ca ciclul să funcționeze, agentul trebuie să fie în evaporator mai rece decât sursa din care preia căldura, iar în condensator mai cald decât agentul termic căruia îi cedează căldura. Cu cât distanța dintre cele două temperaturi este mai mare, cu atât compresorul trebuie să realizeze o diferență de presiune mai mare. Asta înseamnă mai multă energie consumată.
COP și SCOP — cifrele care contează
Eficiența unei pompe de căldură se exprimă prin COP (coeficient de performanță): raportul dintre căldura livrată și energia electrică consumată. Un COP = 4 înseamnă că, pentru 1 kWh de curent, pompa livrează 4 kWh de căldură. Aproximativ 3 kWh provin din mediu, gratuit.
COP-ul nu este o constantă. El depinde de două temperaturi: cea a sursei (de exemplu, aerul exterior) și cea a apei livrate în instalație. Regula de bază: cu cât diferența dintre ele este mai mică, cu atât pompa lucrează mai eficient.
| Condiții de funcționare (pompă aer-apă) | COP orientativ |
|---|---|
| Aer exterior +7°C, apă în instalație 35°C (pardoseală radiantă) | 4,0–5,0 |
| Aer exterior +7°C, apă în instalație 55°C (radiatoare) | 2,5–3,2 |
| Aer exterior −7°C, apă în instalație 35°C | 2,5–3,0 |
| Aer exterior −15°C, apă în instalație 55°C | 1,5–2,0 |
Pentru că vremea variază pe parcursul iernii, cifra relevantă pentru consumul anual este SCOP, adică COP-ul sezonier, mediat pe întregul sezon de încălzire pentru o anumită zonă climatică. Când compari două pompe de căldură, compară SCOP-ul la aceeași temperatură a apei, nu COP-ul maxim din reclamă.
Consecința practică pentru proiectare este directă: pompa de căldură se potrivește cel mai bine cu emițători de joasă temperatură, cum ar fi pardoseala sau peretele radiant, ventiloconvectoarele sau caloriferele supradimensionate. Într-o clădire bine izolată, aceștia pot lucra cu apă la 35–45°C în loc de 70°C.
„Nu merge pe ger” — un mit depășit
Încă circulă ideea că pompele de căldură aer-apă nu mai funcționează sub −5°C. Afirmația era valabilă pentru o parte dintre aparatele de acum 15–20 de ani. Pompele de căldură moderne funcționează, de regulă, până la −20…−25°C, iar unele modele chiar mai jos.
Ce se întâmplă, de fapt, pe ger:
- COP-ul scade, pentru că diferența de temperatură dintre aerul exterior și apa din instalație crește;
- puterea termică disponibilă scade exact când necesarul de căldură al casei este maxim;
- unitatea exterioară intră periodic în ciclu de degivrare, pentru a topi gheața formată pe schimbător.
De aceea, dimensionarea se face pentru temperatura exterioară de calcul a zonei climatice, nu pentru o zi medie de iarnă. Se stabilește și punctul de bivalență: temperatura exterioară sub care pompa este ajutată de o sursă suplimentară, cum ar fi o rezistență electrică, un cazan existent sau o centrală pe gaz.
Încălzire și răcire cu același aparat
Majoritatea pompelor de căldură pentru clădiri sunt reversibile. Un ventil cu patru căi inversează sensul de circulație al agentului frigorific, iar cele două schimbătoare își schimbă rolurile: evaporatorul devine condensator și invers. Iarna aparatul încălzește, vara răcește.
Pentru că schimbătoarele trebuie să funcționeze bine în ambele regimuri, o pompă reversibilă are, de obicei, o eficiență puțin mai mică decât două aparate optimizate separat. Diferența este însă mică în comparație cu avantajul unui singur echipament pentru ambele funcții.
Pompele de căldură se folosesc și pentru prepararea apei calde menajere, fie integrat, fie ca boilere cu pompă de căldură dedicate, precum și pentru încălzirea apei din piscine. Cea mai eficientă utilizare apare când ambele efecte sunt folositoare simultan, de exemplu răcirea unor spații și, în același timp, prepararea apei calde cu căldura extrasă. Astfel de situații sunt însă relativ rare.
Agenții frigorifici — de la freon la propan
Agentul frigorific a evoluat odată cu reglementările de mediu:
- CFC (clorofluorocarburi, de exemplu R-12) — folosiți pe scară largă până în anii ’90. Au fost interziși prin Protocolul de la Montreal, pentru că distrug stratul de ozon.
- HCFC (hidroclorofluorocarburi, de exemplu R-22) — o soluție de tranziție, cu impact mai redus asupra ozonului, dar tot nociv. În Uniunea Europeană, utilizarea lor la echipamentele noi și la service a fost eliminată.
- HFC (hidrofluorocarburi, de exemplu R-134a, R-410A, R-32) — nu conțin clor și nu afectează stratul de ozon, dar au un potențial ridicat de încălzire globală (GWP). Utilizarea lor este redusă treptat prin Regulamentul (UE) 2024/573 privind gazele fluorurate.
- Agenți naturali — propanul (R-290), izobutanul (R-600a), dioxidul de carbon (R-744) și amoniacul (R-717). Au impact aproape nul asupra ozonului și un GWP foarte redus. Propanul și izobutanul sunt inflamabili, iar amoniacul este toxic, așa că impun măsuri specifice de siguranță la amplasare.
Pentru cine cumpără acum o pompă de căldură, tendința este clară: modelele cu R-290 și R-32 domină piața, iar agenții cu GWP mare sunt eliminați treptat.
Tipuri de pompe de căldură
După principiul de funcționare
- Cu compresie mecanică — compresorul este antrenat de un motor electric, iar mai rar de un motor termic. Este tipul folosit în marea majoritate a clădirilor.
- Cu absorbție — compresorul mecanic este înlocuit de un proces termochimic, antrenat de o sursă de căldură: gaz natural, căldură reziduală sau energie solară termică. Se folosesc mai ales în aplicații industriale și acolo unde există căldură disponibilă ieftin.
După sursa de căldură și agentul termic din clădire
Denumirea pompei indică întotdeauna, în ordine, sursa din care preia căldura și mediul căruia îi cedează căldura:
| Tip | Sursa de căldură | Cedează căldura către | Observații |
|---|---|---|---|
| Aer-aer | Aerul exterior | Aerul din încăpere | Aparatele de aer condiționat reversibile; cost mic, fără apă caldă menajeră |
| Aer-apă | Aerul exterior | Apa din instalația de încălzire | Cea mai răspândită soluție în rezidențial; montaj simplu, fără foraje |
| Sol-apă | Solul (sonde verticale sau colectoare orizontale) | Apa din instalația de încălzire | Eficiență ridicată și stabilă tot anul; investiție mare în foraje |
| Apă-apă | Apa freatică sau o apă de suprafață | Apa din instalația de încălzire | Cel mai bun COP; necesită debit de apă suficient și avizele necesare |
| Sol-aer / apă-aer | Sol sau apă | Aerul din încăpere | Mai rar întâlnite, de regulă la sisteme de ventilare sau în clădiri comerciale |
Pompele care folosesc solul sau apa freatică sunt numite adesea geotermale. Avantajul lor este că temperatura sursei rămâne relativ constantă pe tot parcursul anului, de regulă 8–12°C la câțiva metri adâncime. De aceea, eficiența lor nu scade dramatic pe ger, așa cum se întâmplă la sistemele aer-apă.
Pe scurt: ce reții
- Pompa de căldură mută căldura, nu o produce din curent. De aceea poate livra de 3–5 ori mai multă energie termică decât consumă.
- Eficiența depinde de diferența de temperatură dintre sursă și instalație. Emițătorii de joasă temperatură și clădirea bine izolată sunt jumătate din succes.
- Pentru consumul real contează SCOP-ul, nu COP-ul maxim din catalog.
- Pompele aer-apă moderne funcționează și pe ger, dar cu eficiență și putere reduse. Dimensionarea și punctul de bivalență se stabilesc prin calcul.
- Sistemele sol-apă și apă-apă au eficiență superioară și stabilă, dar costă mai mult la investiție.
- La achiziție, verifică agentul frigorific. Agenții naturali (R-290) și cei cu GWP redus (R-32) sunt direcția pieței.
O pompă de căldură bine aleasă și corect integrată în instalație este una dintre cele mai eficiente surse de încălzire disponibile astăzi. Aleasă „după putere din catalog”, cu calorifere vechi la 70°C și fără calculul necesarului de căldură, devine o investiție care nu își atinge niciodată potențialul. Înainte de cumpărare, primul pas este calculul necesarului termic al clădirii și verificarea emițătorilor existenți. De acolo, alegerea tipului și a puterii devine mult mai clară.
