Elveţia vrea să treacă la încălzire pe pompe de căldură, iar un experiment de la un campus universitar de lângă Zurich arată cât de eficient poate fi un sistem bine gândit

Pompele de căldură sunt în prezent tehnologia cea mai eficientă de încălzire într-un diapazon climatic normal, tocmai de asta ţările din Europa au pus un accent mare pe trecerea la pompe de căldură în loc de gaz şi alţi combustibil fosili, iar această eficienţă e demonstrată şi de maşinile electrice, cele cu pompe de căldură fiind mult mai eficiente iarna în încălzirea habitaclului decât cele cu alte sisteme de încălzire. Ei bine, Elveţia, o ţară care a fost întotdeauna inovatoare în eficienţă energetică, atât la producţie, cât şi la consum, vrea să treacă masiv la pompe de căldură pentru încălzire, iar un experiment petrecut în ultimii 10 ani în campusul universitar ETH Honggerberg arată cât de eficient poate fi un sistem bine gândit din start.

Pentru case şi apartamente, pompa de căldură permite asigurarea încălzirii pe baza captării căldurii din aer sau din sol utilizând diferenţa dintre două circuite şi presiunea prin compresoare. Chiar dacă afară sunt doar 5 grade, spre exemplu, sau zero, diferenţa pozitivă între două circuite se poate obţinute datorită lichidului de refrigerare dintr-un circuit şi datorită formării presiunii cu ajutorul compresoarelor în celălalt circuit, iar lichidele sunt întotdeauna mai calde la presiune. Practic, vorbim de un proces invers sistemului de aer condiţionat pe care-l folosim de mult timp, acolo captându-se diferenţa de rece din celălalt circuit. Iar aparatele care au invertoare, de fapt, funcţionează în regim de pompă de căldură atunci când sunt puse în regim de căldură. Doar că atunci când instalăm un sistem cu pompă de căldură într-o casă sau un apartament, căldura captată şi generată de pompă o putem da atât în încălzirea aerului, într-un sistem centralizat de ventilare, cât şi în încălzirea apei, într-un sistem de încălzire cu calorifere sau pardosea încălzită.

Tehnologia pompei de căldură poate fi aplicată în mai multe medii, cea mai accesibilă şi răspândită acum fiind cea de aer, când compresorul e montat afară, în aer liber. Dar pot exista şi circuite geomermale, astfel încât pompa să aibă cel de-al doilea circuit întotdeauna relativ cald datorită căldurii naturale de la adâncime din pământ, iar astfel ea va avea nevoie de mai puţină energie pentru compresoare şi va fi mai eficientă. Acest grad de eficienţă e numit de obicei Coeficient de Performanţă, sau COP. La clima Moldovei şi României, de exemplu, pompele de căldură de aer dau în mediu un coeficient de 3,2-3,7. Cele mai performante pot da până la 4,0-4,3. Traducând mai simplu acest COP, el ar fi un raport dintre kWh consumaţi pentru compresoare şi funcţionarea pompei, faţă de echivalentul de căldură generat. Respectiv, cu cât e mai mare COP, cu atât mai eficientă e o pompă şi va consuma mai puţină electricitate pentru a încălzi o casă. De asemenea, aşa cum se poate deduce de mai sus, temperatura de afară determină şi ea variaţia de COP — la o temperatură de +5 pompa de căldură va avea nevoie de mai puţină energie pentru a capta căldura necesară decât la -15 grade, plus că şi degajările de căldură în circuit sunt mai mici. Dar, în mediu se obţine acel COP menţionat mai sus, iar media climei elveţiene nu e departe de cea a Moldovei sau României.

Foto: O schemă generală de funcţionare a unui circuit în sol cu pompă de căldură

Problema Elveţiei e că foarte multe case vechi au sisteme de încălzire au sisteme de încălzire ce funcţionează pe combustibil fosili, similari cu păcura sau chiar păcură în unele cazuri. O bună parte au încălzire pe gaz, din cele mai moderne, dar clădirile mai vechi din marile oraşe au asemenea centrale pentru fiecare bloc, care au filtre pentru a nu scoate fum negru, dar efectiv au o cisternă de păcură care arde încet şi încălzeşte blocul. Asta e poluant, bineînţeles, iar în cazul gazului a devenit şi foarte scump. Elveţia însă, are multă electricitate produsă cu zero emisii, din hidrocentrale, centrale nucleare şi mai nou turbine eoliene. Prin urmare, trecerea la pompe de căldură ar avea sens în termen lung, întrucât folosirea electricităţii, produsă cu zero emisii, ar permite renunţarea la păcură şi chiar la gazul natural, eliminând şi poluanţii mai dăunători, şi emisiile de CO2. Anul trecut, Elveţia a aprobat un buget de 3 miliarde de franci pentru a finanţa instalarea de pompe de căldură, preponderent de aer, pentru circa 200.000 locuinţe. Un proiect uriaş, însă oamenii de ştiinţă vor să accelereze acest proces luând drept exemplu experimentul făcut la campusul universitar menţionat mai sus.

Campusul universitar ETH Honggerberg e cel mai mare centru universitar din Elveţia, specializat în tehnică, inginerie şi ştiinţe conexe cu tehnologia. E un adevărat orăşel compact, cu mai multe clădiri, în care coabitează peste 10.000 de studenţi, profesori şi angajaţi. Consumul anual de căldură de aici e de 29 GWh, cel de răcire cu aer condiţionat — de 23 GWh, iar consumul direct de electricitate — de 54 GWh. Un consum mare, care a permis efectuarea unui experiment la scară largă, pe baza unui sistem gândit şi început în 2013, care a fost mărit treptat şi a ajuns acum la cifre incredibile, urmând a mai fi crescut în 2024 datorită noilor edificii din campus.

Astfel, întreg campusul are un sistem centralizat de încălzire şi răcire, care funcţionează într-un circuit complex, ce conţine pompe de căldură, dar şi circuite geotermale de până la 200 metri adâncime, acolo unde temperatura solului e stabilă şi mult mai caldă decât aerul. Dar asemenea circuite nu constitui o inovaţie, fiind parte din tehnologia geotermală obişnuită. Inovaţia elveţienilor a fost să gândească construcţii de stocare directă a căldurii şi frigului în exces, în sonde de adâncime. Acum există 6 asemenea construcţii subterane, fiecare cu sute de asemenea sonde. Simplu vorbind, ele sunt gândite după ideea de termos, cu izolare în vid. Şi ele îşi au rostul doar datorită modului în care e gestionat întreg sistemul.

Foto: Schema sistemului de la campusului universitar ETH Honggerberg

Practic, începând din luna mai-iunie, sistemul captează căldura, culminând cu lunile iulie şi august. Pompele de căldură pot funcţiona în regim de aer condiţionat, dar căldura din aer e captată şi stocată sub formă de lichid încălzit în sondele subterane, la adâncime. Chiar şi fără aerul condiţionat inclus, sistemul circulă inteligent şi toată căldura în exces pe timp de primăvară, vară şi toamnă e stocată în sonde, direct. Toamna şi iarna când începe a fi nevoie de încălzirea edificiilor, pompele de căldură folosesc acel circuit cald stocat din vară, care pierde foarte puţin din căldura sa în datorită modului în care e stocat. Astfel, miile de sonde, din cele 6 construcţii subterane de stocare ajung pentru a asigura temperaturi super eficient pentru pompele de căldură în cea mai mare parte a sezonului de încălzire, făcându-le pe acestea să opereze cu un COP mult mai mare, pentru că nu stau afară la -15, ci au circuitul cald cu căldură stocată din vară, care se consumă gradual pe parcursul iernii şi doar când e nevoie se compensează puţin cu compresoare. Şi genialitatea nu se opreşte aici. În timp ce pompele de căldură funcţionează astfel pentru a încălzi edificiile din campus, temperatura rece de afară e captată pentru a răci circuitele din sondele care şi-au degajat deja căldura şi astfel temperaturile rece sunt stocate pentru a fi folosite vara la răcire. Iar vara va fi nevoie de mai puţină energie în compresoare, pentru că în circuitul cald al pompei de căldură nu vor fi 30 de grade Celsius de afară, ci 4-8 grade, stocate din iarnă, care face pompa să lucreze relaxat pentru a răci aerul din ventilaţie.

Tot acest sistem e foarte complet în algoritmi şi valve care dirijează părţi ale circuitului. Dar rezultatele în eficienţa obţinută sunt incredibile. În regim de încălzire de iarnă, pompele de căldură nu funcţionează cu un COP de 3,2-4,0, ci de 7,2 până la 8,2, deci consumă de două ori mai puţină electricitate decât o pompă de căldură deja foarte eficientă şi de vreo 8 ori mai puţină energie decât dacă s-ar arde gaz. Iar indicele e doar pentru timpul pentru când pompele sunt conectate, pentru că circuitul poate uneori folosi transferul direct de căldură în circuit, fără compresoarele pompelor. La răcire COP minim e de 18.0 în regim de aer condiţioat, şi poate ajunge până la 32,9 conform raportului din acest experiment.

Mai simplu spus, la nivelul unui an întreg, datorită acestui sistem cu pompe de căldură şi stocări subterane, sistemul şi-a asigurat 81% din energia necesară încălzirii din stocare şi a consumat doar 19% din reţea. La răcire, şi-a asigurat 87% din stocare şi doar 13% a consumat din reţea. Deci, o economie uriaşă de electricitate, de circa 85% în mediu global la nivelul unui an. Astfel, un întreg orăşel a putut să-şi asigure căldura iarna şi răcoarea vara, consumând doar circa 15% din energia necesară în mod normal, pentru că a putut crea un sistem care să poată stoca frigul iarna şi căldura vara sub pământ şi să poată folosi inteligent ceea ce a stocat!

Nu e de mirare, deci, că în urma datelor acestui experiment, elveţienii discută acum că acest sistem ar putea fi replicat în oraşe, pe cartiere de mărimi similare cu campusul, sau scalat la o mărime în care el rămâne optim. Planurile sunt pe termen lung, până în 2050, şi detaliile planului sunt încă în discuţii şi analize, dar acest exemplu al campusului universitar din Zurich e unul care a demonstrat cum se poate face inteligent un asemenea sistem şi ce economie de viaţă reală aduce, la scară mare. Şi dacă până în 2050 elveţienii vor ajunge să consume cu 85% mai puţină energie pentru încălzire şi răcorire vara, şi doar electricitate, fără gaz şi păcură, atunci vor avea şi lipsă de emisii nocive, şi electricitate în surplus rămasă în ţară.