Bomba de calor para aquecimento doméstico – princípio de funcionamento, tipos e instalação

Uma bomba de calor é um dispositivo para transferir energia térmica de uma fonte para um consumidor.

O calor é transferido espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio. A bomba transfere calor na direção oposta.

O projeto consiste em um compressor, uma válvula de expansão térmica, um evaporador e um condensador. Um exemplo típico de bomba de calor é um aparelho de ar condicionado.

Para determinar qual tipo de bomba escolher para uso doméstico, recomenda-se estudar as características de cada modelo e seus princípios de funcionamento. Cada tipo também possui limitações que é importante conhecer.

Princípio de funcionamento das bombas de calor

As bombas de calor estão apenas começando a ser amplamente utilizadas em residências particulares. Uma das principais vantagens desse método de aquecimento é Possui baixo consumo de energia, mas alta geração de calor.A classificação é baseada na fonte de calor.

Um sistema de aquecimento doméstico funciona com base no princípio de que uma substância (o refrigerante) pode liberar ou absorver energia térmica durante uma mudança de estado. Esse princípio também está na base do funcionamento de uma geladeira (razão pela qual a parte traseira do aparelho fica quente).

A bomba de calor para aquecimento funciona da seguinte maneira:

1. O agente que entra é resfriado em 5 graus na seção de evaporação, com base na energia do fluido de transferência de calor.
2. O fluido resfriado entra no compressor, que o comprime e aquece como resultado de seu funcionamento.
3. O gás, já quente, entra no compartimento de troca de calor, onde libera seu próprio calor para o sistema de aquecimento.
4. O fluido refrigerante condensado retorna ao início do ciclo.

Existem também alguns modelos que podem operar em modo reverso. Isso significa que podem ser usados ​​até mesmo no verão para resfriar o edifício. O calor é armazenado e depois utilizado para aquecimento durante os meses mais frios.

Dispositivo

Uma bomba de calor para aquecimento residencial consiste em vários elementos básicos de circuito:

• Um circuito com um fluido refrigerante que transfere energia da fonte de calor;
• um circuito com freon, que evapora periodicamente, retirando energia térmica do primeiro circuito, e se deposita novamente como condensado, transferindo calor para o terceiro;
• Um circuito no qual circula um líquido, que atua como um transportador de calor para aquecimento.

dispositivo de bomba de calor

Utilizar uma bomba de calor para aquecer uma casa é economicamente vantajoso. Isso porque o aparelho não requer muita energia (e, portanto, consome a mesma eletricidade que um eletrodoméstico comum), mas produz quatro vezes mais calor do que a eletricidade consumida.

Também não há necessidade de criar uma linha de fiação separada para conectar a bomba.

Prós e contras

Antes de decidir se deve ou não usar uma bomba de calor, você deve se familiarizar com as vantagens e desvantagens do seu funcionamento. Vamos analisar mais de perto as vantagens e desvantagens de usar uma bomba de calor..

Utilização de usinas termelétricas no mundo

A prática de usar tais unidades de aquecimento no mundo tem sido por mais de 50 anosOs principais fatores que impulsionaram esse fenômeno foram o aumento do custo dos recursos energéticos tradicionais e o amplo apoio dos governos de muitos países ao uso de fontes de energia alternativas.

Portanto, o número de bombas de calor está crescendo constantemente a uma taxa elevada. até 10–30% ao ano, apesar dos altos custos de instalação. O número desses dispositivos atualmente ultrapassa 270.

Os sistemas térmicos são mais utilizados nos Estados Unidos e no Canadá, representando até metade das instalações utilizadas em todo o mundo.

Apesar das condições favoráveis ​​para o uso de bombas de calor, a Rússia está atrasada em relação às tendências globais de sua utilização. Isso provavelmente se deve à nossa crença na disponibilidade plena de recursos naturais.

No entanto, nem todas as áreas povoadas do país possuem gasodutos. A experiência global com bombas de calor indica tendências positivas em sua utilização.

cálculo da bomba de calor

Conforme mencionado acima, as fontes de calor de baixo potencial para essas bombas são, na maioria das vezes, os seguintes meios:

1. Ar proveniente do espaço exterior com temperatura média entre -15 e +25 graus.
2. O ar vem de uma sala aquecida, com temperatura entre +15 e +25 graus.
3. O ar proveniente da sonda subterrânea foi aquecido a uma temperatura entre 4 e 10 graus positivos.
4. Ar proveniente de formações geotérmicas, cuja temperatura pode atingir 10 graus ou mais.
5. Ar proveniente de sondagens no fundo de corpos de água não congeláveis ​​com temperatura de 0 a 10 graus, incluindo o obtido em sondagens instaladas em canais de águas residuais industriais de empresas.

Método de cálculo

Qualquer cálculo térmico é um processo complexo, que só pode ser realizado por especialistas qualificados. No entanto, pode-se propor uma metodologia simplificada, suficiente para obter um resultado que determine a escolha de um modelo de unidade específico.

O cálculo consiste em realizar uma série de etapas:

1. Determinar a quantidade de perda de calor através dos elementos de vedação de um edifício. – paredes, tetos, sótãos, janelas, portas, etc. Isso pode ser obtido utilizando a seguinte relação:

Qок = S x (tвн – t нар) x (1 + ?b) xn : Rт, Onde

S – área total de todos os elementos do invólucro do edifício, m²²;

t вн – temperatura externa, graus C;

t nar – temperatura do ar no espaço exterior, em graus Celsius;

n é um coeficiente que leva em consideração a estrutura do edifício; para edifícios abertos, é igual a 1; para edifícios com sótãos, aplica-se o valor de 0,9; para instalações localizadas no subsolo, considera-se o valor de 0,75;

b – coeficiente de perda adicional de calor, que, dependendo do tipo de edifício e de sua localização nas zonas climáticas da Rússia, pode ter seu valor variando entre 0,05 e 0,27;

Rт é a resistência térmica, que deve ser calculada adicionalmente usando a fórmula:

Rт = 1( , m²xC/W, onde

• Valores calculados da condutividade térmica dos materiais da estrutura envolvente;
• coeficiente de dissipação de calor das superfícies internas;
• O mesmo se aplica às superfícies externas.

Após realizar cálculos preliminares, determinamos as perdas totais de calor provenientes de diversos fatores:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, Onde

Qbl – transferência total de calor proveniente do funcionamento de eletrodomésticos e da atividade humana;

Qi – custos de energia para compensar as perdas de calor devido a vazamentos nas estruturas envolventes.

2. Com base nos resultados obtidos, podemos calcular a demanda anual de eletricidade. Para isso, utilizamos a seguinte proporção:

Qano = 24 x 0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutdoor) : (tin-tout)) (kW/hora) por ano, Onde:

• tvn - o valor de temperatura desejado no interior da casa;
• t nar – temperatura externa real;
• tнар.ср – temperatura média anual na região;
• d – duração do período de aquecimento, em dias.

3. Para entender melhor o funcionamento de uma bomba de calor, você precisa calcular a quantidade de calor necessária para aquecer a água no sistema de aquecimento da sua casa. Isso pode ser feito usando a seguinte fórmula de cálculo:

Qhor.v = V x 17 kW/ano, Onde:

V – volume de consumo diário de água aquecida a 50^O COM.

Consequentemente, os custos de energia para atender à necessidade de aquecimento e água quente serão de:

Q = Qano + Qgv, (kW/hora por ano).

Recomenda-se aumentar o resultado obtido em 10%, levando em consideração o funcionamento mais intensivo do sistema durante os períodos de pico de demanda. Um cálculo preliminar da capacidade da bomba de calor para aquecimento residencial permite uma seleção precisa da instalação.

Para realizar o cálculo, você pode usar uma calculadora específica, que estão disponíveis em abundância na internet.

Tipos de bombas de calor

Existem diversos tipos de dispositivos, dependendo da fonte de calor utilizada. O princípio de funcionamento de uma bomba de aquecimento residencial pressupõe que o calor seja extraído de fontes que melhor consigam acumular energia solar ao longo da estação.

Os seguintes tipos de dispositivos estão disponíveis para venda:

• solo (terra - água);
• ar (ar - ar);
• ar - água;
• água (água - água).

Vamos analisá-los com mais detalhes abaixo.

Ar - água

Como funciona a bomba AR-ÁGUA O processo envolve o aquecimento do fluido refrigerante em um sistema de bomba de calor com ar quente. Um ventilador força o ar quente do ambiente externo para dentro do sistema.

Bomba de calor ar-água

Ali, ele interage com o fluido refrigerante, que se aquece como resultado dessa interação, transformando-se em gás. O gás entra então no compressor, onde é forçado sob pressão para o condensador interno, transferindo seu calor para a água.

Terra - água

O solo é a fonte de calor mais estável e, portanto, a mais utilizada. A uma profundidade de 4 a 8 metros, a temperatura se mantém constante entre 5 e 8 graus acima de zero, e a 10 metros de profundidade, sobe para 10 graus. Existem dois métodos principais para a coleta de energia térmica:

• utilizando um coletor horizontal;
• por meio de uma sonda geotérmica vertical.

O primeiro tipo consiste em um conjunto de tubos dispostos horizontalmente para transportar o líquido refrigerante. A profundidade de instalação deve ser calculada individualmente para cada caso, com base no terreno, clima e outros fatores.

Em algumas situações, é aconselhável instalar a tubulação na profundidade de congelamento do solo (1,4 - 1,8 m). 2,5 - 3,5 metros (se for necessário reduzir a diferença de temperatura e obter maior constância) ou 1 - 1,3 metros (A esta profundidade, o solo aquece mais rapidamente na primavera.) Por vezes, instala-se mesmo um coletor especial constituído por duas camadas.

Este tipo de coletor utiliza tubos com seção transversal de 25, 32 ou 40 mm. Eles podem ser instalados em diversos padrões: espiral, raio, serpentina, laço, etc. Se for utilizado um padrão serpentino, os tubos devem ser espaçados de 0,6 a 1 metro (mais comumente, 80 centímetros).

Para calcular a taxa de transferência de calor de uma tubulação, o tipo de solo deve ser levado em consideração. Para areia seca ou argila, a taxa de transferência de calor é de 10 e 20 W por metro linear, respectivamente; para argila úmida, a taxa de transferência de calor é de 25 W; e para argila com alto teor de umidade, a taxa de transferência de calor é de 35 W.

A desvantagem desse tipo de coletor é a necessidade de um sistema de grande porte. Se a área da casa a ser aquecida for de 100 metros quadrados e o solo for argiloso e úmido, o sistema de coleta exigirá 400 metros quadrados de terreno, ou cerca de 500 metros quadrados.

Considerando que edifícios e outros objetos não podem ser localizados na superfície (apenas um gramado com plantas de 1 ano pode ser colocado), nem todos os proprietários poderão destinar espaço livre suficiente.

Nesse caso, uma sonda vertical é uma solução mais adequada. Ela consiste em um trocador de calor no qual os tubos são enterrados no solo a uma profundidade de até 200 m. O número de sondas instaladas depende da potência de aquecimento necessária.

Os furos de sondagem rasos devem ser espaçados aproximadamente de 5 a 8 metros entre si. Perfurar um único tubo a 100-200 metros de profundidade não é economicamente viável e exige licenças das autoridades competentes. Para evitar isso, é aconselhável instalar vários tubos.

Assim, a única desvantagem das estruturas verticais é o alto custo da perfuração de poços profundos.

No entanto, apesar disso, a sonda é uma solução mais popular, pois oferece eficiência suficiente sem quaisquer requisitos quanto à área do local ou outros fatores limitantes.

Água é água

Outra fonte de calor popular para aquecimento doméstico é a água. Existem três tipos de sistemas desse tipo, dependendo da fonte do líquido:

• Um coletor colocado no fundo de um corpo de água aberto (que não deve congelar) – mares, rios, lagos;
• um coletor localizado no esgoto;
• Utilizando água de poços ou águas subterrâneas.

A primeira opção consiste em colocar os tubos de anticongelante debaixo d'água. Para evitar que subam à superfície, eles são fixados com pesos adicionais. Devido à alta temperatura do líquido refrigerante, esse método é considerado eficaz e econômico.

A desvantagem é que essa estrutura só pode ser construída se o lago estiver localizado a no máximo 50 metros da propriedade. Caso contrário, a instalação e a operação serão antieconômicas. No entanto, para moradores do litoral, uma bomba de calor geotérmica é uma solução ideal para aquecimento residencial.

Utilizando águas residuais tratadas e águas residuais provenientes de indústrias, um coletor pode aquecer edifícios de vários andares e instalações industriais, além de fornecer água quente. Este sistema raramente é utilizado para aquecimento de residências particulares, visto que estas geralmente estão localizadas longe da rede de esgoto central.

Um coletor que capta água de poços ou águas subterrâneas é menos utilizado do que outros tipos. Isso se deve principalmente à necessidade de construir dois poços. O primeiro coleta o líquido, que então transfere sua energia térmica para o refrigerante, enquanto o segundo recebe a água resfriada.

Em alguns casos, um poço de percolação é construído em vez de um furo de sondagem. O poço de descarga deve estar localizado a jusante do nível da água subterrânea e a 20 metros do poço original.

Este sistema é bastante Difícil de instalar e manter.É essencial monitorar regularmente os componentes da bomba quanto à corrosão e contaminação. Também é importante monitorar a qualidade da água que entra e filtrá-la prontamente.

Ar - ar

As bombas de calor ar-ar oferecem uma clara vantagem em relação a outros tipos de unidades. Uma bomba de calor utiliza apenas o ar como fonte de calor, eliminando a necessidade de perfurar poços no solo ou instalar coletores de água. Consequentemente, as bombas de calor ar-ar são significativamente mais baratas.

Este tipo de sistema possui a estrutura e o princípio de funcionamento mais simples. O ar entra no evaporador, onde transfere calor para o fluido refrigerante. Esse calor é então transferido do evaporador para o fluido de aquecimento diretamente na residência. Esse tipo de aquecimento pode ser representado, por exemplo, por ventiladores com serpentina (fan coils) ou por um sistema de aquecimento de piso radiante.

O custo de instalação deste dispositivo é relativamente baixo em comparação com sistemas hidráulicos ou geotérmicos, e sua eficiência depende principalmente da temperatura do ar. Se você mora em uma região com invernos amenos (pelo menos 0°C), este método é considerado o mais econômico.

Se a temperatura cair abaixo de -15 graus, a bomba não conseguirá fornecer aquecimento suficiente para o ambiente; portanto, será mais apropriado usar aquecimento elétrico ou por caldeira.

Caso seja importante operar uma bomba de ar em regiões com invernos rigorosos, instala-se uma fonte de calor de reserva adicional, que será conectada durante geadas severas.

Em alguns casos, também é possível instalar um sistema de ar condicionado se o clima for seco e a temperatura não cair abaixo de -15 graus.

Em condições de umidade e geada, uma camada de gelo se formará na carcaça do dispositivo, o que interferirá em seu funcionamento e poderá causar sua falha prematura.

Preços e fabricantes

O valor médio aproximado de mercado do equipamento e da sua instalação é:

Coletor horizontal:

• Bomba – US$ 4500;
• Instalação — US$ 2500;
• Custo operacional - US$ 350 por ano.

Sonda geotérmica:

• Bomba – US$ 4500;
• Instalação — US$ 4.500;
• Custo operacional - US$ 320 por ano.

Ar - para casa:

• Bomba – US$ 6500;
• Instalação — US$ 400;
• Custo operacional - US$ 480 por ano.

Bomba de água para uso doméstico:

• Bomba de calor – US$ 4500;
• Instalação — US$ 3.500;
• Custo operacional - US$ 280 por ano.

Os preços indicados não são definitivos. O custo final dependerá do país e do fabricante do equipamento, do tipo de terreno, do clima, dos custos de perfuração, das condições de construção, etc.

Por exemplo, o preço de uma bomba de ar de um fabricante russo será de cerca de US$ 7.000, enquanto de um fabricante estrangeiro será de US$ 13.000.

Não se esqueça também do custo da eletricidade. Mesmo que o equipamento não consuma muita energia, essas despesas devem ser levadas em consideração no seu orçamento e estimativa geral.

Qual bomba escolher?

Para decidir qual dispositivo escolher, você deve considerar os seguintes fatores:

• Orçamento estimado – quanto dinheiro o proprietário está disposto a gastar na instalação e conexão de todo o sistema;
• Qual é o sistema de aquecimento existente ou planejado dentro da casa - aquecimento de piso, radiadores, etc.?
• Quantos metros quadrados o proprietário está disposto a destinar no terreno para a criação de um coletor?
• É possível perfurar em profundidade?
• a necessidade de um levantamento geológico (caso esteja prevista a instalação de uma sonda geotérmica) para determinar a profundidade ideal de instalação do coletor;
• É necessário climatizar o sistema de ventilação no verão?
• Serão instalados aparelhos de aquecimento de ar?

Ao escolher uma bomba de calor, recomenda-se prestar atenção ao "coeficiente de transformação de calor" (denotado por ϕ). Ele determina a eficiência do aparelho. Se ϕ=4 for especificado na compra, então, com um consumo de eletricidade de 1 kW, a bomba de calor produzirá 4 kW de energia térmica.

Ao planejar seu orçamento, é importante considerar não apenas o custo de aquisição da bomba, mas também os custos operacionais futuros. Esses fatores geralmente diferem.

Por exemplo, a instalação de um sistema ar-água terá custos de instalação baixos, mas exigirá custos operacionais significativos devido à sua baixa eficiência. Se você precisa minimizar os custos operacionais, então uma bomba de calor geotérmica vertical é a melhor opção.

O custo de um sistema geotérmico ou hidráulico e sua instalação são bastante elevados, exigindo um investimento inicial significativo. No entanto, uma bomba de calor para aquecimento se paga em 5 a 10 anos. Portanto, a decisão de adquirir esse equipamento deve ser baseada na capacidade financeira e nas condições de construção do imóvel (localização, clima, etc.).

Se, por exemplo, não for possível perfurar em profundidade em um determinado local, se a área não permitir a instalação de um coletor horizontal e não houver corpos d'água por perto, a única solução é instalar uma bomba de calor ar-água para aquecer a casa.

Instalação faça você mesmo

Se o proprietário da casa tiver conhecimento dos princípios de funcionamento e do projeto do circuito do equipamento, poderá montar a bomba por conta própria. No entanto, são necessários cálculos preliminares; para isso, utilize um software pronto para otimizar sistemas de refrigeração.

A instalação mais simples é um sistema de aquecimento ar-água do tipo "faça você mesmo". Ele consiste em dois dutos (um para entrada de ar e outro para saída), um ventilador e um compressor.

Você não precisa comprar um compressor novo; pode usar uma unidade em funcionamento de uma geladeira ou outro equipamento. Recomenda-se um compressor scroll.

Etapas do trabalho:

1. Faça uma serpentina com tubo de cobre. Coloque o tubo que transporta o refrigerante por cima.
2. Monte a serpentina em um recipiente de plástico dividido ao meio. Este recipiente funcionará como evaporador.
3. Conecte a válvula termostática e isole-a.
4. Reúna todos os elementos em um bloco e verifique sua funcionalidade.

É importante ressaltar que esse procedimento é bastante complexo para uma pessoa comum. Um não profissional não conseguirá montar todas as peças corretamente e conectar a válvula termostática.

O ideal é confiar o trabalho a profissionais, pois erros no procedimento podem causar mau funcionamento do equipamento ou consumo ineficiente de energia.

Assim, uma bomba de calor é uma forma eficaz de aquecer uma residência particular. Embora esse tipo de equipamento não seja amplamente utilizado na Rússia e na CEI, é bastante comum para aquecimento na Europa e nos EUA.

Recomenda-se selecionar a bomba de calor adequada com base não apenas no custo de instalação e operação, mas também na região de uso, nas condições de construção, na área do local e em outros fatores.