Bomba de calor para aquecer uma casa: princípio de operação, variedades e uso

No agravamento da situação ambiental no mundo e (mais importante para o consumidor médio), o rápido aumento nas tarifas de gás e eletricidade, cada vez mais europeus tentam introduzir sistemas que utilizam fontes alternativas de energia em suas vidas diárias. Uma das opções para esses sistemas é a chamada bomba de calor, através da qual você pode aquecer sua casa no inverno e aquecer água para fins domésticos, gastando um mínimo de eletricidade nela.

Também nos lares de nossos compatriotas, nos últimos anos, você pode conhecer cada vez mais esse milagre da engenharia. É claro que, para os russos, o problema dos altos preços das fontes tradicionais de energia não é tão grave quanto na Europa, mas, primeiro, é apenas por enquanto e, segundo, não quero ficar para trás no mundo civilizado ...

Então a bomba de calor ... O que é isso? Em que se baseia o princípio de sua ação? Onde, onde e como ele transfere calor? Vamos acertar.

O princípio de operação da bomba de calor

O princípio de operação das bombas de calor baseia-se na capacidade de uma substância (refrigerante) absorver ou liberar calor quando o estado de agregação muda. Em essência, essas bombas não são muito diferentes das unidades de refrigeração. (Essa afirmação estranha, à primeira vista, não o surpreenderá se você já tocou na parede traseira quente de uma geladeira comum.)

Esquematicamente, uma bomba de calor pode ser representada como um sistema que consiste em três circuitos. O primeiro é um líquido de refrigeração que transfere energia de uma fonte de calor potencial baixo. No segundo circuito, o refrigerante (freon) circula, que evapora periodicamente, retirando calor do primeiro circuito e, em seguida, condensando novamente, fornecendo-o para o terceiro circuito. E, finalmente, o dissipador de calor "corre" ao longo do terceiro circuito, no nosso caso, a água que transfere calor pelo sistema de aquecimento.

O ciclo de trabalho da bomba de calor em termos gerais pode ser descrito a seguir. O refrigerante líquido entra no evaporador, onde passa para um estado gasoso. A energia necessária para esse processo fluir é retirada do líquido de refrigeração que circula no circuito primário. Além disso, o refrigerante gasoso aquecido por vários graus é sugado para dentro do compressor, cujo principal objetivo é a compressão de gás (é claro, isso consome eletricidade).

A pressão do gás aumenta várias vezes, enquanto aquece significativamente: se a temperatura do refrigerante na entrada do compressor é de 6 a 10 ° C, na saída já é de cerca de 60 ° C. No estágio seguinte, o gás aquecido é enviado ao condensador, onde fornece o calor recebido ao sistema de aquecimento, enquanto ele se condensa, ou seja, entra em um estado líquido. A sobrepressão é então aliviada por meio de uma válvula borboleta e o ciclo recomeça.

Como você pode ver, o dispositivo da bomba de calor não difere fundamentalmente do dispositivo da máquina de refrigeração. Só que o principal objetivo das unidades de refrigeração é gerar frio; portanto, o calor é absorvido pelo evaporador e o condensador apenas despeja esse calor no espaço circundante.Na bomba de calor, o oposto é verdadeiro: o condensador é um trocador de calor que fornece calor ao consumidor e o evaporador é um trocador de calor que utiliza o calor de baixo potencial dos recursos de energia secundária.

Em outras palavras, uma bomba de calor é uma "geladeira ao contrário". Ao mesmo tempo, "vice-versa" não é apenas um dispositivo, mas também um resultado. Se, no caso de uma geladeira, o calor retirado dos produtos armazenados no interior for desperdiçado, a energia gerada pela bomba de calor trará benefícios reais - ela é gasta no aquecimento direcionado da casa.

Variedades de bombas e sistemas de calor

A energia térmica gasta no aquecimento do edifício e no sistema de água quente é o resultado da conversão de energia ambiental usando uma bomba de calor. A bomba concentra essa energia de baixo potencial (baixa temperatura) e a transfere para o sistema de aquecimento.

Resta entender o que significa, neste caso, a energia do meio ambiente. A maioria das bombas de calor domésticas permite que você use o calor do sol e o calor interno da terra, acumulados pelas camadas superiores da crosta terrestre e da água ao longo do ano.

Pelo tipo de projeto do primeiro circuito do trocador de calor, todas as bombas de calor são divididas em solo, água e ar.

Bombas de calor à terra

As bombas de calor do solo recebem o calor necessário para aquecer o refrigerante no evaporador do solo. A temperatura deste último a uma profundidade de vários metros praticamente não está sujeita a flutuações sazonais. Em um sistema fechado de tubos colocados no chão, uma "salmoura" circula. Não é por acaso que pegamos a palavra “picles” entre aspas: o sal, como se poderia esperar do nome, não o contém. De fato, é um anticongelante à base de etileno glicol ou propileno glicol, com menor frequência de etanol aquoso. Os tubos do trocador de calor podem ser colocados no chão horizontalmente (coletor horizontal) e verticalmente (sonda geotérmica).

Os tubos do coletor horizontal são colocados no solo a uma profundidade abaixo do nível de congelamento do solo nessa região (geralmente de 1,5 a 2 m). O sistema de troca de calor desse tipo ocupa uma área bastante grande. Por exemplo, para fornecer calor a uma casa relativamente pequena com uma área de 100 m² será necessário alocar 2-3 acres de terra. Deve-se levar em consideração que, no território ocupado pelo coletor, apenas podem ser plantadas árvores e arbustos cujas raízes não penetram muito fundo no solo, e é completamente impossível colocar aqui edifícios.

Uma sonda geotérmica é um trocador de calor cujos tubos são colocados verticalmente e imersos no solo a uma profundidade de 100 a 200 M. O número de sondas instaladas depende da capacidade necessária da instalação. Para aquecer a casa, que já consideramos acima como exemplo, bastam duas sondas com um comprimento de cerca de 80 m, localizadas a uma distância de 5 m uma da outra.

Como você pode ver, esse sistema não requer grandes áreas, você pode perfurar poços em qualquer parte do seu site - sempre que for conveniente para você. A principal desvantagem das bombas de calor do solo com sondas geotérmicas é o alto custo da perfuração de poços. No entanto, apesar disso, a maioria dos usuários prefere precisamente esses sistemas, porque as sondas geotérmicas são mais eficientes que os coletores horizontais e têm menos restrições.

Perfurar um poço para uma sonda geotérmica.

Bombas de calor a água

A bomba de calor da água "extrai" a energia das águas subterrâneas, que bombeia pelo evaporador. Esse sistema é caracterizado por maior eficiência e boa estabilidade: a primeira característica é o resultado de alta transferência de calor da água, a segunda é devido à constância da temperatura das águas subterrâneas.

Obviamente, para usar esse tipo de instalação, é necessário que essas mesmas águas subterrâneas estejam disponíveis em seu território e em uma quantidade suficientemente grande. É altamente desejável que o aqüífero esteja localizado a uma profundidade não inferior a 30-40 m. O cumprimento simultâneo dessas duas condições é um fenômeno pouco frequente. Outra condição, cuja falha pode se tornar um obstáculo à instalação de uma bomba de calor de água em sua casa ou chalé, é o baixo teor de sais de ferro e outras impurezas nas águas subterrâneas.

O uso de água de baixa qualidade fará com que o equipamento falhe rapidamente, pois o trocador de calor simplesmente entope. A presença de tantas restrições é o motivo pelo qual essas bombas de calor, apesar de atrativas, são instaladas com pouca frequência (cerca de 5% de todos os projetos implementados).

Bombas de calor a ar

Em termos de facilidade de instalação, as bombas de calor a ar têm uma enorme vantagem sobre seus "irmãos". Para usar o ar ambiente como fonte de calor, não é necessário perfurar poços ou realizar qualquer outro trabalho de solo em larga escala. Como resultado, se você estimar o custo da instalação do equipamento, uma bomba de ar custará muito menos do que uma bomba de água ou de terra.

Apesar de uma vantagem tão significativa, esse tipo de equipamento climático não pode ser chamado de ideal, pois também possui uma desvantagem significativa. Essa bomba funciona apenas eficientemente quando a temperatura ambiente está acima de –15 ° C ... –20 ° C. Uma queda de temperatura abaixo dessa fronteira, o que não é incomum na maioria das regiões do país no inverno, leva a uma diminuição significativa no coeficiente de eficiência de uma bomba de calor a ar.

Relação de eficiência da bomba de calor

Um pouco mais alto, usamos o novo termo - "coeficiente de eficiência". Seria errado não explicar o que é, especialmente porque é uma característica importante das bombas de calor que permite comparar diferentes tipos de bombas entre si.

O coeficiente de eficiência (também chamado de coeficiente de transformação) é a razão entre a energia térmica gerada pela bomba e a energia elétrica consumida por ela. De fato, essa é a eficiência da bomba de calor. No caso de bombas de calor de água, esse coeficiente é 5, independentemente da época do ano. Isso significa que, quando 1 kW * h de eletricidade é consumido, a instalação gera 5 kW * h de energia térmica.

Nas bombas de solo, o valor do coeficiente de eficiência é um pouco menor - de 4 para 4,5. E, finalmente, as bombas de calor a ar são caracterizadas pelo menor coeficiente e sua eficiência depende fortemente da temperatura ambiente: a 0 ° C, o coeficiente é de ~ 3,5 e a –20 ° C, não excede 1,5 (com uma eficiência tão baixa, a bomba simplesmente não vale a pena e faz sentido pensar em comprar equipamentos climáticos mais baratos, como uma caldeira elétrica).

Alguns gerentes, anunciando as bombas de calor que vendem, garantem aos clientes em potencial que esse equipamento tem uma eficiência de 400 a 500%. Obviamente, não se fala em nenhuma violação das leis da termodinâmica. Só que, neste caso, os cálculos são intencionalmente errados: outras fontes de energia que não a eletricidade consumida não são levadas em consideração - ar, água ou solo, aquecido pelo sol e processos geotérmicos. Quando, ao calcular a eficiência, apenas a eletricidade é levada em consideração e eles esquecem a fonte de calor de baixa qualidade, o resultado é superior a 100%.

O uso de bombas de calor no clima russo

Depois de se familiarizar com as descrições acima dos vários tipos de bombas de calor, você pode facilmente responder à pergunta sobre qual bomba é mais adequada para operação no clima russo.

As bombas de calor a ar são adequadas para uso apenas em um número limitado de regiões do nosso país - onde a temperatura do ar no inverno quase não cai abaixo de zero. Obviamente, os residentes da Sibéria, Extremo Oriente, norte da parte européia da Rússia nem deveriam pensar em bombas de calor.

Existem muitas limitações no uso de bombas de calor de água. Já falamos sobre alguns deles, resta mencionar mais um. Mais da metade do território do nosso país está na zona de permafrost. Se mesmo um morador da Sibéria Oriental ou do norte do Extremo Oriente tiver "sorte" e houver águas subterrâneas em sua seção que não fiquem muito profundas, essas águas subterrâneas ainda estarão na forma de gelo, o que significa que não é adequado para uso no sistema de aquecimento .

Assim, a maioria dos nossos compatriotas precisa confiar na única opção em que todos saem ganhando - uma bomba de calor no solo. Ao mesmo tempo, em um clima russo, uma bomba com um coletor horizontal, mas com uma sonda geotérmica, que permite atingir uma profundidade onde a temperatura do solo é mais estável, é mais adequada.

Aplicação de bomba de calor para resfriamento

Uma enorme vantagem das bombas de calor é que elas são capazes não apenas de aquecer a casa, mas também de resfriá-la, se necessário. Às vezes, nosso curto verão russo é muito quente e, quando sua casa literalmente esquenta, a proposta de transformar o aquecedor em um ar-condicionado será muito útil.

Uma solução técnica para esse problema pode ser integrada à bomba de calor inicialmente, no estágio de fabricação, e quase todos os fabricantes têm uma variedade de bombas que podem condicionar a sala (modo de resfriamento natural). Se sua bomba de calor não possuir essas habilidades, tudo ainda não será perdido - uma bomba comum pode funcionar para resfriamento. O equipamento adicional necessário na forma de desacoplamento hidráulico será montado fora da bomba. Ambas as opções não requerem grandes investimentos.

Você pode transportar o frio gerado pela bomba de calor diretamente para a sala de várias maneiras. Essa função pode ser atribuída a painéis frios em paredes ou tetos, aquecimento de piso de resfriamento, radiadores com bom fluxo de ar ou uma bobina de ventilador - um dispositivo no qual um trocador de calor de placas é soprado por um ventilador.

O uso de uma bomba de calor para água quente

Qualquer bomba de calor pode não apenas aquecer sua casa, mas também fornecer água quente o ano todo. No entanto, deve-se ter em mente que este sistema é de baixa temperatura, o que significa que a temperatura da água na caldeira não excederá 45-55 ° C. Daqui resulta que o volume da caldeira deve ser maior do que quando se usa um sistema de aquecimento padrão; caso contrário, você e sua família terão que viver em condições de austeridade da água quente.

Esse fato deve ser levado em consideração ao alocar espaço para uma sala de aquecimento, ou seja, mesmo na fase de projeto de uma casa. Além disso, ao escolher uma caldeira, é necessário levar em consideração que este deve ser um equipamento especial projetado para funcionar com instalações de bombas de calor. A principal diferença entre esta caldeira e a habitual é o aumento da área do trocador de calor necessária para a transferência de calor mais eficiente da bomba de calor.

Bombas de calor com elemento de aquecimento integrado

Frequentemente, os fabricantes integram aquecedores elétricos adicionais em suas bombas de calor. O aquecedor embutido permite, se necessário, alternar para uma fonte alternativa de energia do ponto de vista da bomba de calor - eletricidade. Para que serve isso? Em que casos é necessário usar a RTE?

A seleção de uma bomba de calor para aquecimento de uma casa é realizada levando em consideração vários parâmetros, incluindo as características climáticas da região. Nesse caso, é considerado impraticável instalar uma bomba com excesso de energia.O fato é que dias extremamente frios não acontecem com muita frequência, pelo menos na parte da Europa Central da Rússia. A prática mostra que uma opção mais econômica é "obter" a energia necessária com eletricidade durante esses períodos gelados do que instalar inicialmente uma bomba mais potente. A presença de um elemento de aquecimento elimina a necessidade de tornar o sistema mais poderoso do que a maioria da estação de aquecimento exige.

Para os proprietários de bombas de calor de água e solo, um aquecedor integrado é mais do que necessário. A situação das bombas de calor a ar parece completamente diferente. A uma temperatura do ar de –20 ° C ou inferior, essa bomba, se não desligar, será ineficaz. E, embora não haja muitos dias e noites frios no ano, não quero ficar em uma casa que congela rapidamente em um belo momento. A presença de um gerador de calor duplicado, neste caso, não pode ser chamada de luxo.

Bomba de calor a ar.

Dicas e truques

Uma bomba de calor é um equipamento tecnicamente sofisticado e bastante caro, portanto, você deve abordá-la com grande responsabilidade. Para não ser infundado, damos algumas recomendações muito específicas.

1. Nunca comece a escolher uma bomba de calor sem primeiro fazer cálculos e criar um projeto. A falta de um projeto pode causar erros fatais, que só podem ser corrigidos com a ajuda de enormes investimentos financeiros adicionais.

2. Somente profissionais devem confiar no projeto, instalação e manutenção da bomba de calor e sistema de aquecimento. Como garantir que os profissionais trabalhem nesta empresa? Primeiro, de acordo com a disponibilidade de toda a documentação necessária, um portfólio de objetos vendidos, certificados de fornecedores de equipamentos. É altamente desejável que toda a gama de serviços necessários seja fornecida por uma empresa, que neste caso será totalmente responsável pela implementação do projeto.

3. Aconselhamos que você dê preferência à bomba de calor fabricada na Europa. Não se confunda com o fato de ser mais caro que o equipamento chinês ou russo. Quando você inclui na estimativa do custo de instalação, comissionamento e depuração de todo o sistema de aquecimento, a diferença no preço das bombas será quase invisível. Porém, tendo um “europeu” à sua disposição, você terá certeza de sua confiabilidade, pois o alto preço da bomba é apenas o resultado do uso de tecnologias modernas e materiais de alta qualidade ao criá-la.