Pompele de căldură. Cum funcționează și cât de eficiente sunt 28 min read

O metodă de termoficare populară în nordul Europei începe să devină interesantă și pentru români și ar putea fi cheia pentru decarbonificarea pieței energetice.

Încă o noutate în România, pompele de căldură au început să prindă în restul lumii. La sfârșitul lui 2021, aproximativ 190 de milioane de pompe de căldură erau folosite„Heat Pumps – Analysis” – iea.org pentru încălzirea clădirilor la nivel global, iar același an a văzut recorduri de vânzare a tehnologiei în America de Nord, Europa și Asia de Est și Sud-Est.

Deoarece înlocuiesc combustibilii fosili cu căldura ambientală, pompele de căldură încep să devină o parte critică a strategiilor globale de decarbonificare. Tehnologia provoacă mai puține emisii de CO₂ chiar și decât cele mai eficiente centrale pe  gaz.

Interesul pentru pompe de căldură a început să crească simțitor și în România,„Cererile pentru pompe de căldură au explodat. Românii se tem de facturile mari la gaz de la iarnă”, europalibera.org după ce criza energetică coroborată cu războiul din Ucraina a instaurat spaima de facturi uriașe la gaze. Cu toate acestea, instalațiile continuă să aibă prețuri inițiale foarte mari, iar programele de subvenții sunt puțin cunoscute și dificil de accesat. Există și multe întrebări (și probabil și mai multe mituri) despre eficiența reală a acestora.

Unitatea exterioară a unei pompe de căldură pe bază de aer instalată în Țara Galilor, în 2018. Matthew Horwood/Getty Images

Cum funcționează pompele de căldură?

Pompele de căldură funcționează într-un mod aproape identic cu sistemele de aer condiționat sau frigiderele. Ele transferă energia dintr-o sursă ambientală – aer, sol sau apă – în interiorul locuinței sau vice-versa, fiind racordate la echipamentul de termoficare din locuință, indiferent dacă este vorba de calorifer, încălzire prin pardoseală/pereți sau ventiloconvector.  La fel ca o centrală de apartament, poți folosi o pompă de căldură și pentru încălzirea apei.

Transferul este realizat într-un sistem care profită de a doua lege a termodinamicii,„Heat Pumps”, iea.org conform căreia căldura va căuta mereu să treacă într-un mediu cu temperatură mai scăzută. În acest sens, pompele de căldură folosesc curentul electric pentru a alimenta un sistem care circulă și presurizează un agent frigorific – un lichid rece care poate fierbe la temperaturi foarte mici.

Astfel, agentul frigorific poate prelua energia termică chiar și din medii exterioare cu temperaturi scăzute, de exemplu din aerul ambiental, dar și din sol, dintr-o sursă de apă sau o combinație între acestea două. În unitatea externă, care funcționează pe post de vaporizator, agentul atinge punctul de fierbere atunci când preia căldura, se transformă în stare gazoasă și este trimis mai departe prin tuburile care „leagă” sistemul.

În cazul pompelor de căldură geotermale există trei categorii. Cele cu circuit deschis extrag căldura dintr-o sursă de apă pe care apoi o devarsă; pompele cu circuit închis, trec un sistem de tuburi cu un antigel prin sol sau apă, care mai apoi face schimb de energie cu circuitul principal, iar  cele cu schimb direct trec agentul frigorific principal prin cabluri de cupru subterane.

Gazul este apoi trecut printr-un compresor, care îi crește presiunea și, implicit, temperatura, dar crește și punctul de fierbere al agentului. Ulterior, când ajunge în condensatorul din unitatea internă a sistemului, agentul se transformă înapoi în stare lichidă și transferă parte din energia termică înapoi în mediul înconjurător – adică în locuință.

În sfârșit, agentul frigorific redevenit lichid este trecut printr-un vas de expansiune, care îi scade din nou presiunea și temperatura, iar ciclul se reia.

Spre deosebire de frigidere și unitățile AC, procesul din cadrul pompelor de căldură reversibil așa că, după nevoie, ele pot răci sau încălzi locuința.

Acest proces poate funcționa chiar și la temperaturi ambientale foarte scăzute, însă limita inferioară și eficiența cu care o pompa poate încălzi în aceste condiții depind de mai mulți factori. Majoritatea pompelor pe bază de aer încep să-și piardă din eficiență atunci când temperaturile exterioare ating între -5°C și -20 °C. De aceea, pompele au un sistem de încălzire de rezervă, echivalentul unui reșou electric, care se activează în astfel de situații, pentru a ajuta funcționarea, bineînțeles cu costul unui consum mai mare de energie electrică.

Pe de altă parte, pompele de căldură care preiau energia termică din sol suferă mult mai rar această problemă, deoarece, în afară de straturile superioare, pământul are la o temperatură stabilă pe toată durata anului.

Cât de eficiente sunt pompele de căldură?

Principiul de funcționare sună bine, însă cât de e eficient poate să încălzească o locuință și cât de eficientă energetic este o pompă de căldură?

Eficiența sistemelor de termoficare este exprimată într-un indice numit coeficient de performanță, (COP) care măsoară câți kilowațți oră (kWh) de energie termală sunt transferați locuinței pentru fiecare kWh de energie electrică consumată de sistem. De exemplu, un sistem cu un COP de 5 va oferi echivalentul a 5 kWh în căldură la 1 kWh de energie consumată.

Pompele de căldură pe bază de aer, care sunt cele mai răspândite, au și eficiența cea mai „redusă”. O meta-analiză publicată în 2020 în jurnalul Renewable and Sustainable Energy Reviews„Air Source Heat Pumps field studies: A systematic literature review”, sciencedirect.com pe studii de eficiență ale unor astfel de pompe a observat COP-uri cu medii între 2,2 și 2,5, cu valori minime de până la 1,3.

Chiar și la aceste praguri minime, pompele pe bază de aer sunt în continuare mai eficiente decât echipamentele de încălzire clasice. Majoritatea centralelor termice pe bază de gaze naturale ating o eficiență de aproximativ 0,8, iar cele cu condensare ajung la 0,9. În cazul centralelor electrice, acestea au, bineînțeles, un COP de 1, producând aceeași cantitate de energie termică câtă energie electrică consumă.

Pompele de căldură pe bază de sol sau sol/apă sunt și mai eficiente.  Agenția pentru Resurse Naturale a Canadei„Heating and Cooling With a Heat Pump”, nrcan.gc a calculat COP-uri de între 3 și 5,5 pentru majoritatea pompelor de căldură care o iau din sol. Este de notat, totuși, că un studiu comparativ între pompe de căldură pe bază de aer și sol, publicat în 2021 în Journal of Cleaner Production și efectuat în cele mai friguroase 10 orașe din Rusia, a arătat o diferență mai mică între cele două sisteme,cu maxime de 2,35 pentru cele pe bază de aer și 2,44 pentru cele de sol. „Comparative study of air source and ground source heat pumps in 10 coldest Russian cities based on energy-exergy-economic-environmental analysis”, sciencedirect.com

Pompă de căldură sol/apă instalată în Rotterdam. Daniel Mauer/Getty.

Poți pune o pompă de căldură în locuințe vechi?

Eficiența energetică nu se traduce neapărat în temperaturi ambientale plăcute. Chiar dacă pompa de căldură produce mult mai mult decât consumă, output-ul acesteia ar putea să nu fie suficient dacă locuința este izolată foarte prost sau circuitul de încălzire al casei este ineficient. De aici apare și unul dintre miturile legate de pompele de căldură – acela că ele ar trebui instalate doar în cazul unei renovări a locuinței, pentru că nu ar fi eficiente în casele vechi.

Institutul german de științe aplicate Fraunhofer„Bericht Feldmessungen von Wärmepumpen-Anlagen Heizsaison 2019/20”, ost.ch studiază de mulți ani performanța „de pe teren” a pompelor de căldură. Unul dintre rapoarte a urmărit eficiența pompelor în clădiri construite în diverse ere – jumătate înainte de 1979, iar restul între 1980-2005. E adevărat, nu erau clădiri rămase în forma inițială, aproape toate având parte de lucrări care le-au crescut eficiența termică, însă în cele mai multe cazuri a fost vorba de schimbarea geamurilor, nu de o renovare totală.

Cercetătorii germani au observat că nu vârsta clădirilor este cea care contează în măsurarea confortului. Un criteriu mai important este temperatura pe care trebuie să o atingă agentul termic pentru a putea ajunge la temperatura interioară dorită de proprietar. De exemplu, în cazul locuințelor care aveau un sistem de încălzire prin pardoseală, această temperatură era, în medie, de 31-33°C, iar cele care se bazau pe calorifere necesitau valori mai ridicate, de 36-39 °C.

Testate comparativ, pompele de căldură au obținute temperaturile necesare pentru ambele tipuri de circuite chiar și în lunile cu medii ale temperaturii exterioare foarte scăzute. De exemplu, la o temperatură medie de -3,4°C, înregistrată în februarie 2019, pompele de căldură pe bază de aer au reușit să obțină o medie de 39°C, iar cele geotermale au atins temperaturi medii de 45°C.

De altfel, eficiența pompelor de căldură pe parcursul anului reiese și din faptul că sistemele de rezervă au funcționat doar 1,9% din timp, în cazul celor pe bază de aer, și 1,2% din timp, în cazul celor geotermale – un semn că sistemele au fost suficient de eficiente pentru a menține temperatura necesară aproape constant.

Activarea sistemelor de rezervă a adus costuri de electricitate adițională de doar 30 de euro pe locuință, în medie.

Modalități de a instala pompe de căldură în blocuri de locuințe. Energy Policy Group/Institutul Fraunhofer

Cât de ușor recuperezi investiția inițială?

Problema principală a costurilor vine din costul inițial prohibitiv al unui astfel de sistem. Cele mai ieftine pompe de căldură aer-aer încep de la 4.000 de euro, dar sistemele geotermale mai eficiente pot ajunge chiar și aproape de 20.000 de euro, incluzând costurile de instalare. Sunt prețuri încă prohibitive atunci când le compari cu cele ale centralelor pe gaz, unde centrală în condensare de calitate se instalează cu circa 1.000 de euro.

Ce-i drept, există și la noi subvenții care mai amortizează din costuri, însă nu sunt mediatizate mai deloc și implică foarte multă birocrație. De exemplu, programul „Casa Verde Clasic” al Administrației Fondului de Mediu oferă finanțări de până la 8.000 de lei, însă doar pentru pompe aer-aer.„Programul privind instalarea sistemelor de încălzire care utilizează energie regenerabilă, inclusiv înlocuirea sau completarea sistemelor clasice de încalzire, beneficiari persoane fizice”, afm.ro Ministerul Energiei ar putea pregăti și el un astfel de program anul acesta, în cadrul inițiative Electric Up. Un director din cadrul ministerului a anunțat la sfârșitul lui 2022 că instituția analizează includerea pompelor de căldură în investițiile subvenționate.„Finanţare de 100% pentru pompe de căldură prin programul Electric Up. Anunțul Ministerului Energiei”, digi24.ro

În cele mai multe cazuri, însă, instalarea unei pompe de căldură va fi o investiție care ar putea fi amortizată doar în timp îndelungat. Doar că și acest calcul este unul foarte complicat de făcut, pentru că, deși un consumator care trece de la centralele pe gaz la pompele de căldură scapă de grija volatilității prețurilor la gaze naturale, nici costul  electricității nu este foarte stabil. Acesta poate varia excesiv pe piața liberalizată a energiei electrice și în funcție de schemele de compensații adoptate de Guvern.

Din păcate, nu există încă vreun studiu la scară ceva mai mare despre eficiența pompelor de căldură care sa țină cont de facturile de energie electrică/termoficare din România. În fapt, unul dintre puținele astfel de calcule documentate mai temeinic provine de la web designerul/bloggerul Crist Șerb, care și-a documentat construcția unei case cu pompă de căldură și panouri fotovoltaice. După ce a comparat primele cinci luni de facturi cu noua pompă cu media facturilor la încălzire pe centrală electrică a acelorași luni, între 2015 și 2021, Șerb susține că economia făcută ar putea duce la „scoaterea” investiției chiar în mai puțin de cinci ani.„Cinci luni de când mi-am pus pompa de căldură și panourile fotovoltaice”, criserb.com

Pe de altă parte, un studiu interesant„Heat Pump Installation in Public Buildings: Savings and Environmental Benefits in Underserved Rural Areas”, mdpi.com a fost realizat de cercetători din Polonia, SUA și Ucraina într-o zonă poloneză rurală fără sistem de gaze centralizat, în care au fost instalate pompe de căldură în instituții publice. Autorii au  comparat costurile de întreținere a pompei cu alte metode de încălzire folosite în ultimul deceniu, specific centrale electrice sau sisteme pe bază de gaz petrol lichefiat sau ulei ars. Conform cercetării, instituțiile aflate pe încălzire electrice sau ulei ars și-ar recupera investiția în 6-7 ani, iar cele pe GPL chiar mai repede, în patru ani.

Leon Neal/Getty Images

Forțează Net Zero trecerea la pompele de căldură?

Calculele despre rentabilitatea unor astfel de investiții ar putea fi însă date peste cap de strategiile de neutralitate climatică pe termen mediu și lung ale Uniunii Europene, care favorizează în mod clar pompele de căldură în detrimentul oricăror soluții pe bază de combustibili fosili, după cum a explicat Radu Dudău, director al think-tank-ului de politici energetice Energy Policy Group, într-o discuție cu presa organizată de InfoClima pe tema pompelor de căldură.

Practic, directivele de neutralitate climatică UE la care va trebui să se alinieze și România vor îngreuna semnificativ instalarea centralelor pe gaze, și chiar ar trebui să le interzică pentru clădiri noi în viitorul apropiat.

„Directiva UE privind Eficiența Energetică prevede eliminarea graduală a sistemului de încălzire pe bază de combustibili fosili și de planificare a decarbonizării sistemelor de încălzire, mai ales cu accent pe clădiri publice. RED, sau Directiva privind Energiile Regenerabile, prevede de asemenea cerințe minime de utilizare a regenerabililor în clădiri și o rată anuală de creștere a ponderii acestora de 1,1 % ”, a punctat directorul Energy Policy Group.

„Și mai avem Directiva privind Performanța Energetică a Clădirilor, care întărește reglementările despre eliminarea graduală a centralelor pe bază de combustibil fosil. Apoi vine obligativitatea cerințelor NZEB, «near zero energy buildings» un standard de clădire cu  eficiență energetică foarte ridicată, în care consumul de energie primară remanent care are loc în clădire trebuie să fie acoperit cel puțin 30 % de surse regenerabile produse la fața locului. Aceasta deja este transpusă în legislația românească din 2021, iar aceeași directivă spune că din 2030 toate clădirile noi trebuie să fie ZEB, adică cu consum de energie net zero”, a adăugat acesta.

Practic, o persoană care alege acum să-și instaleze o centrală pe gaze ar putea fi nevoită s-o schimbe în viitorul nu foarte îndepărtat. Dacă nu direct, din cauza uneia dintre directivele enumerate mai sus, atunci din cauza costurilor care putea crește semnificativ la termoficarea cu gaze dacă blocul comunitar va ajunge să implementeze sistemul de „bursă a emisiilor”Este un sistem deja folosit în industriile energetice, de manufactură și aeriene din UE, constând din alocarea unei limite superioare a emisiilor produse de o singură entitate sau instalație. Limita admisă scade cu timpul, iar entitățile își pot tranzacționa părți din propria limită de emisii” și pentru mașinile personale și sistemele de termoficare.

Și, desigur, după cum am văzut și în cazul lui Cristi Șerb, există și varianta de a-ți racorda pompa la panouri solare, pentru a face un circuit complet regenerabil, din care poate chiar să devii prosumator, deși celor din urmă pare că statul încearcă deja să le pună taxe în cârcă. În orice caz, ar fi vorba de o investiție inițială și mai consistentă, dar care ar veni la pachet cu siguranța de a nu mai fi dependent de fluctuațiile pieței de electricitate, precum și cu contribuția personală pentru atingerea neutralității climatice.

CITEȘTE ȘI: Drobul „taxei pe soare” descurajează creșterea numărului prosumatorilor