Bombas de calor de fonte de ar para aquecimento doméstico (ar / água e ar / ar)

Aqui você descobrirá:

Como funcionam as bombas de calor ar-água
Especificidade de aplicação e trabalho
Vantagens e desvantagens das bombas de calor de fonte de ar
Os 5 principais benefícios para proprietários de plantas
Como escolher uma bomba de aquecimento ar-água
Algoritmo para montagem de uma unidade caseira
Características de manutenção da unidade

Uma bomba de calor ar-água é usada para aquecer instalações domésticas e industriais nas regiões do sul e centro da Rússia. Você pode comprar esse dispositivo ou fazer você mesmo, por exemplo, de um ar condicionado.

O que você precisa saber?

Pode-se dizer que, uma vez que as bombas de calor são tão eficientes, por que são tão mal utilizadas. A questão toda está no alto custo do equipamento e da instalação. É por esta simples razão que muitos recusam esta solução e escolhem, digamos, caldeiras elétricas ou a carvão. No entanto, não vale a pena descartar esta opção por vários motivos, que com certeza iremos mencionar neste artigo. As bombas de calor, uma vez instaladas, tornam-se muito econômicas, pois utilizam a energia do solo. A bomba de origem terrestre é 3 em 1. Ela combina não apenas uma caldeira de aquecimento e um sistema de água quente, mas também um ar condicionado. Vamos dar uma olhada neste equipamento e considerar todos os seus pontos fortes e fracos.

Princípio da Operação

Para quem não entende bem o assunto, vale a pena explicar o que é bomba de calor ar / água. Na verdade, é um “refrigerador reverso” - um dispositivo que resfria o ar externo e aquece a água do tanque. Então, essa água pode ser usada para abastecimento de água quente ou aquecimento da casa.

Arranjo interno de uma bomba de calor ar-água esquematicamente

A bomba de calor usa um ciclo fechado e consome apenas eletricidade. Sua eficiência é medida como a relação entre a energia elétrica consumida e a energia térmica recebida. A eficiência das bombas de calor também é medida em COP (Coeficiente de desempenho). O COP 2 corresponde a uma eficiência de 200% e significa que para 1 kW de eletricidade dará 2 kW de calor.

O princípio da unidade

O princípio de funcionamento de uma bomba de calor para aquecimento baseia-se na utilização da diferença de potencial da energia térmica. É por isso que esses equipamentos podem ser usados em qualquer ambiente. O principal é que sua temperatura seja de pelo menos 1 grau Celsius.

Temos um refrigerante que se move através da tubulação, onde, de fato, aquece de 2 a 5 graus. Depois disso, o refrigerante entra no trocador de calor (circuito interno), de onde libera a energia coletada. Neste momento, existe um refrigerante no circuito externo, que possui um baixo ponto de ebulição. Conseqüentemente, ele se transforma em gás. À medida que entra no compressor, o gás é comprimido, o que aumenta ainda mais a sua temperatura. Em seguida, o gás vai para o condensador, onde perde o calor, passando para o sistema de aquecimento. O refrigerante se torna líquido e flui de volta para o circuito externo.

Vantagens e desvantagens das bombas de calor

As bombas de calor para aquecimento doméstico podem ser controladas por termostatos especialmente instalados. A bomba liga automaticamente quando a temperatura do meio cai abaixo do valor definido e desliga se a temperatura exceder o ponto definido. Assim, o aparelho mantém uma temperatura constante no ambiente - essa é uma das vantagens dos aparelhos.

As vantagens do dispositivo são a sua economia - a bomba consome pouca eletricidade e respeita o meio ambiente, ou seja, segurança absoluta para o meio ambiente. As principais vantagens do aparelho:

Confiabilidade.A vida útil é superior a 15 anos, todas as partes do sistema têm um alto recurso de trabalho, as quedas de energia não prejudicam o sistema.
Segurança. Sem fuligem, sem exaustão, sem chama aberta, sem vazamento de gás.
Conforto. O funcionamento da bomba é silencioso, o aconchego e o conforto da casa ajudam a criar uma climatização e um sistema automático, cujo funcionamento depende das condições meteorológicas.
Flexibilidade. O dispositivo tem um design moderno e elegante, pode ser combinado com qualquer sistema de aquecimento da casa.
Versatilidade. É utilizado na construção civil privada. Uma vez que possui uma ampla faixa de potência. Devido a isso, pode fornecer calor a cômodos de qualquer área - de uma pequena casa a uma cabana.

A complexa estrutura da bomba determina sua principal desvantagem - o alto custo do equipamento e sua instalação. Para instalar o dispositivo, é necessário realizar trabalhos de escavação em grandes volumes.

Resumidamente sobre os tipos de bombas de calor

Vários projetos populares de bombas geotérmicas são conhecidos hoje. Mas em qualquer caso, seu princípio de funcionamento pode ser comparado com o trabalho de equipamentos de refrigeração. Por isso, independentemente do tipo, a bomba pode ser usada como ar condicionado no verão. Assim, as bombas de calor são classificadas de acordo com onde podem extrair calor:

A partir do solo;
Do reservatório;
A partir do nada.

O primeiro tipo é mais preferível em regiões frias. O fato é que a temperatura do ar geralmente cai para -20 e abaixo (por exemplo, a Federação Russa), mas a profundidade de congelamento do solo geralmente é insignificante. Quanto aos reservatórios, eles não estão por toda parte, e não é muito aconselhável utilizá-los. Em qualquer caso, é melhor escolher uma bomba de calor de fonte subterrânea para aquecimento doméstico. Examinamos um pouco o princípio de funcionamento do aparelho, então vamos além.

Como funciona uma bomba de calor de fonte subterrânea? Princípio da Operação.

Para obter o calor do solo, é necessário um trocador de calor do solo. Para isso, basta colocar um cachimbo no solo, formando uma alça por onde circula o líquido - popularmente chamada de salmoura. O loop (na prática são vários) passa pelo evaporador da bomba de calor, onde a temperatura da salmoura cai e fica mais baixa que a temperatura do solo. Continuando ao longo do tubo no solo, a salmoura vai aquecendo gradualmente. Ao final, entra novamente no evaporador, de onde emite calor.

Assim, a salmoura medeia a diferença de temperatura entre o solo e o evaporador da bomba.

O trocador de calor pode ser horizontal ou vertical. O tamanho do terreno ajuda na escolha de uma solução - várias centenas de metros quadrados são necessários para a fabricação de um trocador de calor horizontal e várias dezenas são suficientes para sondas verticais.

É importante que o volume do trocador de calor seja grande - durante toda a estação de aquecimento, a bomba recebe vários megawatts-hora de calor do solo. Se for muito pequeno, está exposto a um resfriamento excessivo e, como resultado, a bomba não pode funcionar corretamente. O sistema de controle de uma bomba de calor de fonte subterrânea, via de regra, desliga quando a temperatura da salmoura cai para -7 ° C, pois abaixo desse valor, o curso dos processos no circuito é excessivamente perturbado.

Bomba de calor de fonte subterrânea com trocador de calor horizontal.

No caso de um trocador de calor feito de tubos localizados horizontalmente, a profundidade ideal é 0,2 - 0,5 m abaixo da linha de congelamento. No entanto, se houver um curso de água a uma profundidade relativamente rasa, a melhor solução é colocar canos nele. Então, a bomba de calor atinge um fator de eficiência mais alto Kp.

Os tubos de um trocador de calor horizontal são colocados em um poço pré-preparado com dimensões correspondentes à superfície necessária do trocador de calor. São conduzidos em forma de bobina (curvas) sobre toda a superfície da fossa, observando determinados intervalos entre as secções adjacentes.Os intervalos não devem ser inferiores a 0,4 me não superiores a 1,2 m, tendo em conta o tipo de solo, de onde decorre a sua capacidade de "regeneração" (adição de calor). Quanto mais tempo a superfície do solo estiver congelada, maior deve ser o intervalo.

Deve ser lembrado que a saída de calor do trocador de calor não flui do comprimento do tubo, apenas da superfície do solo sobre o qual ele está assentado. Pequenos vãos não permitem receber mais calor do mesmo, devido à necessidade de uso de cano longo. Isso se traduz em um maior investimento e custo operacional, pois para bombear a salmoura através de um tubo longo, é necessária uma bomba de circulação com maior capacidade. Devido a esta lacuna muito grande entre os tubos, acontece que o calor não entra na quantidade projetada, de forma que a potência do trocador de calor é menor.

Projeto de trocador de calor do solo.

Projetar um trocador de calor de solo de tamanho adequado é a chave para o funcionamento correto de uma bomba de calor. Para calcular o valor necessário, são necessárias informações sobre a potência necessária da bomba de calor. Se não estiver nas características técnicas do dispositivo, basta saber que corresponde à potência térmica reduzida pela potência do compressor. Se não sabemos qual a capacidade do compressor, mas temos informações sobre o fator de capacidade Kp, então a potência de resfriamento é calculada com precisão suficiente pela fórmula:

Qcool = (Кп - 1) / Кп • Qtopl.

É necessário atentar para que os valores substituídos sejam atingidos a uma temperatura correspondente àquela que reina tanto no solo quanto no sistema de aquecimento durante o funcionamento da bomba em plena capacidade (por exemplo, 0/35 - temperatura da salmoura 0 graus Celsius, sistema de aquecimento 35 graus Celsius).

Cálculo da superfície do trocador de calor de uma bomba de calor de fonte terrestre horizontal.

A força com que um trocador de calor do solo transfere calor depende do tipo de solo, ou seja, seu teor de umidade. Em função disso, para calcular a superfície do trocador de calor horizontal, são tomados os seguintes valores da potência térmica do solo qg (para tubos de polietileno):

areia seca - 10 W / m2
areia, úmida - 15-20 W / m2
argiloso seco - 20-25 W / m2
argiloso, úmido - 25-30 W / m2
úmido (aquífero) - 35-40 W / m2.

Claro, esses são valores indicativos.

É difícil avaliar se o solo é o mesmo em toda a área destinada ao trocador de calor até o início da construção, por isso é melhor pegar um valor menor para o cálculo. Em um sistema bem feito, o compressor da bomba de calor funciona de 1.800 a 2.400 horas por ano, a produção de calor do solo leva ao alongamento do tempo de trabalho.

A superfície do trocador de calor é calculada pela fórmula:

A = Q / qg

Exemplo: a casa precisa de energia para aquecimento é de 14 kW, e a bomba irá satisfazê-los na íntegra (deve funcionar em sistema monovalente). O dispositivo selecionado recebe uma potência térmica (aquecimento) de 14 kW para os parâmetros 0/35, enquanto atinge um coeficiente de eficiência Kp = 4,5. A potência de resfriamento é, portanto, Qcool = (4,5-1) / 4,5 • 14 = 10,9 kW, ou seja, 10900 W. O trocador de calor deve ser feito em solo argiloso seco, portanto sua área deve ser A = 10 900/20 = 545 m2. Chama-se a atenção para o facto de, no caso de solo aquífero, o permutador de calor poder ser duas vezes inferior, mas se o solo for arenoso a sua área ocupará mais de 1000 m2. Em tal situação, a melhor solução é colocar os tubos verticalmente.

Permutador de calor de uma bomba de calor vertical de fonte subterrânea.

A bomba de calor atinge um fator de eficiência Kp mais alto quando os tubos do trocador de calor são posicionados verticalmente no solo - a uma profundidade de 40-150 m.Isso se deve ao fato de que, a uma profundidade abaixo de 10 m, a temperatura do solo fica em torno de 10 graus Celsius o ano todo - ou seja, no inverno chega a quase dez graus a mais do que a uma profundidade de 1,5 metros.

A execução de um trocador de calor vertical, entretanto, é claramente mais cara do que um horizontal. São seções verticais de um cano que forma um laço (o cano desce pelos orifícios, no fundo gira e sobe). Eles são chamados de sondas geotérmicas. Nesse caso, eles são calculados não por área, mas pelo comprimento total do trocador de calor, geralmente composto por mais de uma sonda.

Em poços verticais, um ou dois pares de tubos (sonda U ou Y) são colocados. A inserção do tubo de poço é facilitada pela cabeça, um elemento que conecta os risers que pode ser adaptado para acomodar um tubo de enchimento adicional. A cabeça é inserida nos orifícios e, com ela, nos tubos do trocador de calor. Em seguida, o concreto líquido é despejado no poço.

Em um trocador de calor do tipo Y, o líquido flui para a cabeça em um tubo e retorna da cabeça no outro. Em um trocador de calor tipo U duplo, ele flui com dois tubos para baixo e dois para cima.

A distância entre os pontos de perfuração até 50 m de profundidade não deve ser inferior a 5 m, e no caso de pontos mais profundos de 8 a 15 metros. Deve estar localizado em uma linha perpendicular à direção do fluxo de água.

Cálculo do comprimento do trocador de calor da bomba de calor vertical do solo.

Nesse caso, é importante como as propriedades do solo mudam com a profundidade. As informações podem ser fornecidas por mapas geológicos e documentação de poços previamente feitos nas proximidades. Com base nisso, é possível estimar a espessura das camadas individuais do solo e calcular o valor médio do coeficiente de condutividade térmica para a área onde os tubos do trocador de calor serão colocados.

Os cálculos, no entanto, não são capazes de levar em consideração todos os movimentos das águas subterrâneas e na prática muitas vezes acontece que o resultado obtido é significativamente diferente da realidade. Para ter certeza de que o trocador de calor vertical funcionará corretamente, é necessário fazer um levantamento do solo no local onde será feita a perfuração. Neste caso, a produtividade do calor do solo qg também depende de seu tipo.

Para tubos PE80 é:

solo arenoso seco - 10-12 W / m;
areia úmida - 12-16 W / m;
argila média seca - 16-18 W / m;
argila média úmida - 19-21 W / m;
argiloso pesado e seco - 18-19 W / m;
argila pesada úmida - 20-22 W / m;
úmido (aquífero) - 25-30 W / m.

É necessário levar em consideração a espessura das camadas individuais de um determinado tipo de solo e, com base nisso, calcular o desempenho geral de cada sonda.

A produção de calor do solo, em que ambas as camadas são secas, como os aquíferos, ao usar sondas U duplo (quatro tubos no poço), é em média cerca de 50 W / m. Pode-se supor provisoriamente que, no caso da bomba de calor dos requerentes, no exemplo do cálculo de um trocador de calor horizontal (capacidade de resfriamento de 10,9 kW), furos com um comprimento total de L = 10.900 / 50 = 218 m são necessários, que é, por exemplo, quatro de 55 metros cada.

"Água subterrânea": qual a melhor localização?

Tirar o calor do solo é considerado o mais adequado e racional. Isso se deve ao fato de que praticamente não há oscilações de temperatura na profundidade de 5 metros. Um fluido especial é usado como portador de calor. É comumente chamada de salmoura. É totalmente amigo do ambiente.

Quanto ao método de colocação, ou seja, horizontal e vertical. O primeiro tipo é caracterizado pelo fato de que os tubos de plástico, representando o contorno externo, são colocados horizontalmente no quadrado. Isso é muito problemático, uma vez que o trabalho de assentamento deve ser realizado em uma área de 25-50 metros quadrados. No caso de poços verticais, os poços verticais são perfurados com profundidade de 50-150 metros.Quanto mais profundas as sondas forem colocadas, mais eficiente será a bomba de calor geotérmica. Já consideramos o princípio de operação e agora falaremos sobre detalhes importantes.

Bomba de calor "Água para água": princípio de funcionamento

Além disso, não descarte imediatamente a possibilidade de usar a energia cinética da água. O fato é que em grandes profundidades, a temperatura permanece bastante elevada e varia em pequenas faixas, se é que isso acontece. Você pode ir de várias maneiras e usar:

Corpos d'água abertos, como rios e lagos.
Água subterrânea (bem, bem).
Águas residuais de ciclos industriais (abastecimento de água de retorno).

Do ponto de vista econômico e técnico, a maneira mais fácil é configurar o funcionamento de uma bomba geotérmica em reservatório aberto. Ao mesmo tempo, não existem diferenças estruturais significativas entre as bombas "solo-água" e "água-água". Neste último caso, os tubos imersos em um reservatório aberto são alimentados com uma carga. No que diz respeito ao aproveitamento das águas subterrâneas, o projeto e a instalação são mais complexos. É necessário alocar um poço separado para descarga de água.

O princípio de funcionamento da bomba de calor ar-água

Esse tipo de bomba é considerada uma das menos eficientes por diversos motivos. Primeiro, na estação fria, a temperatura das massas de ar cai significativamente. Em última análise, isso leva a uma diminuição na potência da bomba. Pode não suportar o aquecimento de uma casa grande. Em segundo lugar, o design é mais complexo e menos confiável. No entanto, os custos de instalação e manutenção são reduzidos significativamente. Isso se deve ao fato de que você não precisa de um reservatório, de um poço, e não precisa cavar valas para canos em sua casa de verão.

O sistema é colocado na cobertura do prédio ou em outro local adequado. É importante notar que este design tem uma vantagem significativa. Consiste na possibilidade de utilizar gases de escape, ar que sai novamente da divisão. Isso pode compensar a capacidade insuficiente do equipamento no inverno.

Bombas ar-ar e muito mais

Essas instalações são ainda menos comuns do que "Ar-Água", por uma série de razões. Como você deve ter adivinhado, em nosso caso, o ar é usado como um transportador de calor, que aquece a partir de uma massa de ar mais quente do ambiente. Há um grande número de desvantagens de tal sistema, que vão desde a baixa produtividade ao alto custo.Uma bomba de calor ar-ar, cujo princípio você conhece, não é ruim apenas em regiões quentes.

Existem pontos fortes aqui também. Primeiro, o baixo custo do refrigerante. Provavelmente, você não encontrará um vazamento na linha de ar. Em segundo lugar, a eficácia de tal solução é extremamente elevada no período da primavera-outono. No inverno, é impraticável usar uma bomba de calor de ar, cujo princípio de funcionamento consideramos.

Bomba de calor de ar DIY: diagrama de montagem

Ao contrário dos sistemas geotérmicos e hidrotérmicos bastante complexos, uma bomba de calor ar-água está disponível para fabricação, mesmo por conta própria.

Além disso, para a fabricação de um sistema de ar, precisamos de um conjunto relativamente barato, consistindo nas seguintes peças e conjuntos:

Unidade de bomba de calor ar-água externa

Compressor de sistema dividido - pode ser adquirido em um centro de serviço ou em uma oficina
Tanque de aço inoxidável de 100 litros - pode ser removido de qualquer máquina de lavar velha
Um recipiente polimérico com uma boca larga - uma lata comum ou polipropileno serve.
Tubos de cobre com diâmetro de vazão superior a 1 milímetro. Você terá que comprá-los, mas esta é a única compra cara em todo o projeto.
Um conjunto de válvulas de corte e controle, que incluirá uma torneira de drenagem, uma válvula de ataque a ar e uma válvula de segurança.
Fixadores - suportes, clipes para tubos, braçadeiras e outros.

Além disso, precisaremos do refrigerante mais barato - freon e pelo menos da unidade de controle mais simples, sem a qual o uso de bombas de calor será muito difícil, devido à necessidade de sincronizar o funcionamento do compressor com a temperatura na superfície do evaporador e condensador.

Montagem da unidade

Bem, o próprio processo de construção é o seguinte:

Fazemos uma bobina com um tubo de cobre, cujas dimensões devem corresponder à seção transversal e à altura do tanque de aço.
Montamos a bobina no tanque, deixando as saídas dos tubos de cobre do lado de fora. Em seguida, selamos o tanque e o equipamos com uma conexão de entrada (parte inferior) e saída (parte superior). Como resultado, é obtido o primeiro elemento do sistema - o condensador - com torneiras prontas para o tubo de aquecimento direto (encaixe superior) e retorno (encaixe inferior)
Montamos o compressor na parede (usando o suporte). Conectamos a conexão de pressão do compressor à saída superior do tubo de cobre.
Fazemos uma segunda bobina com um tubo de cobre, cujas dimensões coincidem com a seção transversal e a altura da lata de polímero.
Montamos a bobina na lata, instalando uma ventoinha em sua extremidade, que sopra ar na bobina. Além disso, duas questões devem sair da lata. Com isso, toda essa estrutura, que é o evaporador do sistema, é montada na fachada ou no duto de ventilação.
Conectamos a saída inferior do tanque (condensador) com a saída inferior da lata (evaporador) cortando um estrangulador de controle nesta tubulação.
Conectamos a saída superior da lata com o tubo de sucção do compressor.

É basicamente isso. O sistema baseado no princípio de funcionamento de uma bomba de calor de fonte de ar está quase completo. Resta apenas derramar refrigerante no compressor e conectar a válvula borboleta à unidade de controle.

Bomba de calor caseira

Estudos têm demonstrado que o período de recuperação do equipamento depende diretamente da área aquecida. Se estamos falando de uma casa de 400 metros quadrados, isso significa aproximadamente 2 a 2,5 anos. Mas para quem tem uma caixa menor, é bem possível usar bombas caseiras. Pode parecer difícil fazer esse equipamento, mas na verdade não é. Basta adquirir os componentes necessários e prosseguir com a instalação.

O primeiro passo é comprar um compressor. Você pode pegar o do ar condicionado. Monte-o da mesma forma na parede do edifício. Além disso, é necessário um capacitor. Você pode construí-lo sozinho ou comprá-lo. Se você for com o primeiro método, vai precisar de uma bobina de cobre com espessura de pelo menos 1 mm, ela é colocada na caixa. Pode ser um tanque de tamanho adequado. Após a instalação, o tanque é soldado e as conexões roscadas necessárias são feitas.

Potência e eficiência

Se a eficiência das bombas de calor geotérmico e de água praticamente não depende da estação, então a situação é diferente com as bombas de calor de ar. O desempenho depende diretamente da temperatura externa, quanto mais frio, menor o COP (eficiência).

Muitas pessoas acreditam que a quantidade de calor que ele pode produzir depende da potência de uma bomba de calor, mas não é o caso. Caracteriza o consumo de energia, sendo que a quantidade de calor gerada depende da eficiência. Assim - a partir da temperatura do ar fora de casa.

A parte final do trabalho

Em todo o caso, na fase final, terá de contratar um especialista. É uma pessoa experiente que deve soldar tubos de cobre, bombear freon e também ligar o compressor pela primeira vez. Após a montagem de toda a estrutura, ela é conectada ao sistema de aquecimento interno. O circuito externo é instalado por último e suas características dependem do tipo de bomba de calor utilizada.

Não negligencie um ponto tão importante como substituir a fiação desatualizada ou danificada da casa. Os especialistas recomendam a instalação de um medidor com capacidade de pelo menos 40 amperes, o que deve ser suficiente para o funcionamento de uma bomba de calor.Não será supérfluo notar que, em alguns casos, esse equipamento não corresponde às expectativas. Isso se deve, em particular, a cálculos termodinâmicos imprecisos. Para que não aconteça que você gastou muito dinheiro com aquecimento e no inverno teve que instalar uma caldeira a carvão, entre em contato com organizações de confiança com críticas positivas.

Segurança e respeito pelo meio ambiente acima de tudo

O aquecimento com as bombas descritas neste artigo é um dos métodos mais ecológicos. Isso se deve principalmente à redução das emissões de dióxido de carbono na atmosfera, bem como à conservação de recursos energéticos não renováveis. A propósito, no nosso caso, recursos renováveis são usados, então não há necessidade de ter medo que o calor acabe repentinamente. Graças ao uso de uma substância que ferve a baixas temperaturas, tornou-se possível realizar o ciclo termodinâmico reverso e, com menos energia, obter uma quantidade suficiente de calor para dentro da casa. Quanto à segurança contra incêndio, tudo está claro. Não há possibilidade de vazamento de gás ou óleo combustível, explosão, locais perigosos para armazenamento de materiais inflamáveis e muito mais. A este respeito, as bombas de calor são muito boas.