Bombas de calor para aquecimento doméstico: tipos e princípio de operação

O princípio de operação da bomba ar-água

Como já mencionado, a principal fonte de energia térmica para instalações deste tipo é o ar atmosférico. A base fundamental da operação das bombas de ar é a propriedade física dos líquidos de absorver e liberar calor durante a transição de fase do estado líquido para o gasoso e vice-versa. Como resultado da mudança de estado, a temperatura é liberada. O sistema funciona no princípio de um refrigerador em sentido inverso.

Para usar efetivamente essas propriedades do líquido, um refrigerante de baixo ponto de ebulição (freon, freon) circula em circuito fechado, cujo projeto inclui:

• compressor com acionamento elétrico;
• evaporador soprado por ventilador;
• válvula de aceleração (expansão);
• trocador de calor de placas;
• tubos de circulação de cobre ou metal-plástico conectando os principais elementos do circuito.

O movimento do refrigerante ao longo do circuito é realizado devido à pressão desenvolvida pelo compressor.Para reduzir as perdas de calor, os tubos são cobertos com uma camada isolante de borracha artificial ou espuma de polietileno com um revestimento metalizado protetor. Como refrigerante, é usado freon ou freon, que pode ferver a uma temperatura negativa e não congela até -40 ° C.

Todo o processo de trabalho consiste nos seguintes ciclos sucessivos:

1. O radiador do evaporador contém um refrigerante líquido que é mais frio que o ar externo. Durante o sopro ativo do radiador, a energia térmica do ar de baixo potencial é transferida para o freon, que ferve e passa para um estado gasoso. Ao mesmo tempo, sua temperatura aumenta.
2. O gás aquecido entra no compressor, onde aquece ainda mais durante o processo de compressão.
3. No estado comprimido e aquecido, o vapor refrigerante é alimentado em um trocador de calor de placas, onde o transportador de calor do sistema de aquecimento circula pelo segundo circuito. Como a temperatura do refrigerante é muito menor que a do gás aquecido, o freon condensa ativamente nas placas do trocador de calor, liberando calor para o sistema de aquecimento.
4. A mistura vapor-líquido resfriada entra na válvula borboleta, que permite que apenas o refrigerante líquido de baixa pressão resfriado passe para o evaporador. Então todo o ciclo é repetido.

Para aumentar a eficiência de transferência de calor do tubo, as aletas espirais são enroladas no evaporador. O cálculo do sistema de aquecimento, a escolha das bombas de circulação e outros equipamentos devem levar em consideração resistência hidráulica e coeficiente instalação de trocador de calor de placas de transferência de calor.

Visão geral em vídeo do dispositivo do sistema e sua operação

Bombas de calor do inversor

A presença de um inversor como parte da instalação permite um arranque suave do equipamento e regulação automática dos modos em função da temperatura exterior. Isso maximiza a eficiência da bomba de calor ao:

• obtenção de eficiência no nível de 95-98%;
• reduzindo o consumo de energia em 20-25%;
• minimização de cargas na rede elétrica;
• aumentar a vida útil da planta.

Como resultado, a temperatura interna é mantida estável no mesmo nível, independentemente das mudanças climáticas. Ao mesmo tempo, a presença de um inversor completo com uma unidade de controle automatizada fornecerá não apenas aquecimento no inverno, mas também o fornecimento de ar resfriado no verão em clima quente.

Ao mesmo tempo, deve-se levar em consideração que a presença de equipamentos adicionais sempre acarreta um aumento no seu custo e um aumento no período de retorno.

Divisão por tipo de fluido de trabalho

Bombas de calor modernas podem usar corpo gasoso ou líquido químico solução de amônia como transportador de calor. A adequação de um determinado esquema é avaliada por vários fatores, características do sistema.

1. As instalações de Freon têm um ciclo de bomba de calor baseado em processos de compressão e expansão de gás. Eles são de alguma forma construídos no esquema do compressor. O equipamento possui indicadores de desempenho atraentes, mas também apresenta desvantagens. Embora o consumo médio ponderado do sistema no momento do ciclo de operação seja estável, a fiação está muito carregada. Além disso, as bombas de calor com transportador de calor gasoso não serão úteis em regiões onde não há rede elétrica centralizada ou fonte de energia com capacidade de carga suficiente.
2. As plantas do tipo evaporativo que utilizam solução de amônia têm um ciclo de trabalho baseado no processo de evaporação da substância em pontos de ebulição baixos. A liquefação após a passagem de um trocador de calor externo ocorre sob a ação de uma fonte de energia. Este é um queimador de calor. Praticamente qualquer combustível pode ser usado para isso: sólido, gasolina, diesel, gás, querosene, em alguns casos - álcool metílico. Portanto, as bombas de calor evaporativas são atraentes em locais onde não há eletricidade. Além disso, o baixo custo do combustível de um determinado tipo na região pode induzir a escolha de tais equipamentos.

A natureza do fluido de trabalho usado no sistema pode dizer muito sobre o desempenho da instalação e a potência. Portanto, as bombas de calor do compressor freon são capazes de dar um puxão brusco, aquecendo rapidamente a sala. Modelos de evaporação de amônia não são capazes de tais feitos. Seu modo de uso preferido é a operação estável e contínua com potência de calor nominal.

Tipos de bombas de calor

As bombas de calor são divididas em vários tipos. O primeiro tipo (tipo) na classificação de acordo com o método de transferência de energia térmica:

Compressão. Os principais elementos de instalação são compressores, condensadores, expansores e evaporadores. Este tipo de bomba é de altíssima qualidade e eficiência, o que a torna muito popular no mercado.

Absorção. A última geração de bombas de calor. Eles usam um freon absorvente em seu trabalho. Graças a isso, a qualidade do trabalho é aumentada várias vezes.

Podem ser distinguidos tipos de bombas de calor de acordo com as fontes de calor, a saber:

• A energia térmica é criada pelo solo (foto);
• agua;
• Correntes de ar
• Reaquecimento. Eles são obtidos a partir de escoamento de água, ar sujo ou esgoto.

Por tipos de circuitos de entrada-saída:

• ar-ar. A bomba pega ar frio, baixa sua temperatura, recebe o calor necessário, que o transfere para onde é necessário o aquecimento.
• água-água. A bomba retira o calor da água subterrânea, que o entrega à água para aquecer a sala.
• água-ar. Da água para o ar. O uso de sondas e poços para água é típico, e o aquecimento ocorre através de um sistema de aquecimento de ar.
• ar-água. Do ar para a água. Bombas deste tipo usam o calor da atmosfera para aquecer a água.
• solo-água. Nesta forma, o calor é retirado de tubos com água depositada no solo. O calor é retirado do solo (solo).
• água gelada. Um tipo interessante de bomba de calor. Para aquecer a água para aquecimento de ambientes, é utilizada uma técnica de produção de gelo, na qual é liberada uma energia térmica colossal. Se você congelar até 200 litros de água, poderá obter energia que pode aquecer um tamanho médio em 40 a 60 minutos.

Vantagens e desvantagens das bombas de calor

Princípio funcionamento da bomba de calor, em termos simples, baseia-se na captação de energia térmica de baixo grau e sua posterior transferência para sistemas de aquecimento e clima, bem como para sistemas de tratamento de água, mas a uma temperatura mais alta. Um exemplo simples pode ser dado em a forma de um cilindro de gás – quando está cheio de gás, o compressor aquece por compressão. E se você liberar gás do cilindro, o cilindro esfriará - tente liberar bruscamente o gás de um isqueiro reutilizável para entender a essência desse fenômeno.

Assim, as bombas de calor, por assim dizer, retiram energia térmica do espaço circundante - está no solo, na água e até no ar. Mesmo que o ar tenha uma temperatura negativa, ainda há calor nele. Também é encontrado em quaisquer corpos d'água que não congelam até o fundo, bem como em camadas profundas de solo que também não são passíveis de congelamento profundo - a menos, é claro, que seja permafrost.

As bombas de calor têm um dispositivo bastante complexo, como você pode ver ao tentar desmontar uma geladeira ou ar condicionado. Essas unidades domésticas familiares para nós são um pouco semelhantes às bombas mencionadas acima, só que funcionam na direção oposta - elas retiram o calor das instalações e o enviam para fora. Se você colocar a mão no radiador traseiro da geladeira, notamos que está quente. E este calor nada mais é do que a energia retirada das frutas, legumes, leite, sopas, enchidos e outros produtos que se encontram na câmara.

Os condicionadores de ar e os sistemas split funcionam de maneira semelhante - o calor gerado pelas unidades externas é energia térmica coletada aos poucos em salas refrigeradas.

O princípio de funcionamento de uma bomba de calor é o oposto do de um refrigerador. Ele coleta calor do ar, água ou solo nos mesmos grãos, após o que o redireciona para os consumidores - são sistemas de aquecimento, acumuladores de calor, sistemas de piso radiante e aquecedores de água. Parece que nada nos impede de aquecer o refrigerante ou a água com um elemento de aquecimento comum - é mais fácil assim. Mas vamos comparar a produtividade das bombas de calor e dos elementos de aquecimento convencionais:

Ao escolher uma bomba de calor, o mais importante é a disponibilidade de uma fonte de energia natural específica.

• Elemento de aquecimento convencional - para a produção de 1 kW de calor, consome 1 kW de eletricidade (excluindo erros;
• Bomba de calor - consome apenas 200 W de eletricidade para produzir 1 kW de calor.

Não, não há eficiência igual a 500% aqui - as leis da física são inabaláveis. São apenas as leis da termodinâmica em ação aqui. A bomba, por assim dizer, acumula energia do espaço, "engrossa" e a envia aos consumidores. Da mesma forma, podemos coletar gotas de chuva através de um grande regador, obtendo um fluxo sólido de água na saída.

Já demos muitas analogias que nos permitem entender a essência das bombas de calor sem fórmulas abstrusas com variáveis ​​e constantes. Vejamos agora suas vantagens:

• Economia de energia - se o aquecimento elétrico padrão de 100 sq. m. levará a custos de 20 a 30 mil rublos por mês (dependendo da temperatura do ar externa), então o sistema de aquecimento com bomba de calor reduzirá os custos para 3 a 5 mil rublos aceitáveis ​​- você deve admitir, isso já é uma economia bastante sólida. E isso sem truques, sem engano e sem truques de marketing;
• Cuidar do meio ambiente - usinas a carvão, nucleares e hidrelétricas prejudicam a natureza. Portanto, o consumo reduzido de eletricidade reduz a quantidade de emissões nocivas;
• Uma ampla gama de usos - a energia resultante pode ser usada para aquecer uma casa e preparar água quente.

Há também desvantagens:

• O alto custo das bombas de calor - essa desvantagem impõe uma restrição ao seu uso;
• A necessidade de manutenção regular - você tem que pagar por isso;
• Dificuldade de instalação - isso se aplica principalmente a bombas de calor com circuitos fechados;
• Falta de aceitação por parte das pessoas - poucos de nós concordaria em investir neste equipamento para reduzir a carga sobre o meio ambiente. Mas algumas pessoas que vivem longe de redes de gás e são obrigadas a aquecer suas casas com fontes alternativas de calor concordam em gastar dinheiro na compra de uma bomba de calor e reduzir suas contas mensais de eletricidade;
• Dependência da rede - se o fornecimento de eletricidade parar, o equipamento congelará imediatamente. A situação será salva instalando um acumulador de calor ou uma fonte de energia de backup.

Como você pode ver, algumas das desvantagens são bastante sérias.

Geradores de energia a gasolina e diesel podem servir como fontes de energia de backup para bombas de calor.

dicas e truques

Uma bomba de calor é um equipamento tecnicamente complexo e bastante caro, pelo que a sua escolha deve ser encarada com grande responsabilidade. Para não ser infundado, aqui estão algumas recomendações muito específicas.

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

2. A concepção, instalação e manutenção da bomba de calor e do sistema de aquecimento só devem ser confiadas a profissionais. Como garantir que os profissionais trabalhem nesta empresa? Em primeiro lugar, pela disponibilidade de toda a documentação necessária, um portfólio de objetos implementados, 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. Aconselhamo-lo a dar preferência a uma bomba de calor de fabrico europeu. Não se confunda com o fato de ser mais caro que o equipamento chinês ou russo. Quando incluído na estimativa do custo de instalação, comissionamento e depuração de todo o sistema de aquecimento, a diferença no preço das bombas será quase imperceptível. Mas, por outro lado, 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 para criá-la.

Principais variedades

Todas as bombas de circulação para sistemas de aquecimento são divididas em dois tipos de design: dispositivos com rotor "seco" e bombas de circulação com rotor "úmido".

Nas bombas de circulação do primeiro tipo, que já está claro em seu nome, o rotor não entra em contato com o meio de trabalho líquido - o refrigerante. O impulsor dessas bombas é separado do rotor e do estator por meio de anéis de aço vedantes, pressionados uns contra os outros por meio de uma mola especial que compensa o desgaste desses elementos. A estanqueidade deste conjunto de vedação durante o funcionamento da bomba é assegurada por uma fina camada de água entre os anéis de aço, que se forma devido à diferença entre as pressões no sistema de aquecimento e no ambiente externo.

As bombas de circulação para aquecimento com rotor "seco" distinguem-se pela eficiência bastante alta (89%) e produtividade, mas as máquinas hidráulicas desse tipo também têm desvantagens, incluindo forte barulho no trabalho e complexidade na operação, manutenção e reparo.Como regra, os sistemas de aquecimento industrial são equipados com bombas desse tipo; raramente são usadas em sistemas de aquecimento doméstico.

Bomba de circulação de estágio único com rotor "seco"

Uma bomba de circulação para sistemas de aquecimento equipados com rotor do tipo “úmido” é um dispositivo cujo rotor e rotor estão em contato constante com o refrigerante. O meio de trabalho no qual o rotor e o impulsor giram atua como lubrificante e refrigerante. O estator e rotor de bombas deste tipo são isolados um do outro usando um vidro especial feito de aço inoxidável. Tal vidro, dentro do qual um rotor e um rotor girando no meio refrigerante, protege o enrolamento do estator energizado da entrada de fluido de trabalho nele.

A eficiência das bombas deste tipo é bastante baixa e é de apenas 55%, mas as capacidades técnicas de tal dispositivo são suficientes para garantir a circulação do refrigerante em sistemas de aquecimento casas não muito grandes. Se falamos sobre as vantagens das bombas de circulação com rotor "úmido", elas devem incluir a quantidade mínima de ruído emitido durante a operação de tais dispositivos, alta confiabilidade, facilidade de operação, manutenção e reparo.

Bomba de circulação úmida

Seleção do tipo de bomba de calor

O principal indicador deste sistema de aquecimento é a energia. Em primeiro lugar, os custos financeiros para a compra de equipamentos e a escolha de uma ou outra fonte de calor de baixa temperatura dependerão da potência.Quanto maior a potência do sistema de bomba de calor, maior o custo dos componentes.

Em primeiro lugar, isso se refere à potência do compressor, à profundidade dos poços para sondas geotérmicas ou à área para acomodar um coletor horizontal. Cálculos termodinâmicos corretos são uma espécie de garantia de que o sistema funcionará com eficiência.

Se houver um reservatório próximo à sua área pessoal, a escolha mais econômica e produtiva será água da bomba de calor-agua

Primeiro você precisa estudar a área planejada para a instalação da bomba. A condição ideal seria a presença de um reservatório nesta área. O uso da opção água para água reduzirá significativamente a quantidade de trabalho de escavação.

O aproveitamento do calor da terra, pelo contrário, envolve um grande número de trabalhos associados à escavação. Sistemas que usam água como calor de baixo grau são considerados os mais eficientes.

O dispositivo de uma bomba de calor que extrai energia térmica do solo envolve uma quantidade impressionante de terraplenagem. O coletor é colocado abaixo do nível de congelamento sazonal

Existem duas maneiras de usar a energia térmica do solo. A primeira envolve a perfuração de poços com diâmetro de 100-168 mm. A profundidade desses poços, dependendo dos parâmetros do sistema, pode chegar a 100 m ou mais.

Sondas especiais são colocadas nesses poços. O segundo método usa um coletor de tubos. Esse coletor é colocado no subsolo em um plano horizontal. Esta opção requer uma área bastante grande.

Para a colocação do coletor, as áreas com solo úmido são consideradas ideais. Naturalmente, a perfuração de poços custará mais do que um reservatório horizontal.No entanto, nem todo site tem espaço livre. Para um kW de potência da bomba de calor, é necessário de 30 a 50m² de área.

A construção para a captação de energia térmica com um poço profundo pode ser um pouco mais barata do que cavar um poço

Mas uma vantagem significativa reside na economia significativa de espaço, o que é importante para os proprietários de pequenas parcelas. No caso da presença de um horizonte de águas subterrâneas alto no local, os trocadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro

No caso da presença de um horizonte de águas subterrâneas elevado no local, os trocadores de calor podem ser dispostos em dois poços localizados a uma distância de cerca de 15 m um do outro.

A extração de energia térmica nesses sistemas por bombeamento de águas subterrâneas em circuito fechado, cujas partes estão localizadas em poços. Tal sistema requer a instalação de um filtro e limpeza periódica do trocador de calor.

O esquema de bomba de calor mais simples e barato baseia-se na extração de energia térmica do ar. Uma vez que se tornou a base para a construção de refrigeradores, os condicionadores de ar posteriores foram desenvolvidos de acordo com seus princípios.

O sistema de bomba de calor mais simples obtém energia da massa de ar. No verão está envolvido no aquecimento, no inverno no ar condicionado. A desvantagem do sistema é que, em uma versão independente, uma unidade com potência insuficiente

Eficiência vários tipos deste equipamento não é o mesmo. As bombas que usam ar têm o menor desempenho. Além disso, esses indicadores dependem diretamente das condições climáticas.

As variedades terrestres de bombas de calor têm desempenho estável. O coeficiente de eficiência desses sistemas varia de 2,8 a 3,3.Os sistemas água-água são os mais eficientes. Isto é principalmente devido à estabilidade da temperatura da fonte.

Deve-se notar que quanto mais profundo o coletor da bomba estiver localizado no reservatório, mais estável será a temperatura. Para obter uma potência do sistema de 10 kW, são necessários cerca de 300 metros de tubulação.

O principal parâmetro que caracteriza a eficiência de uma bomba de calor é o seu fator de conversão. Quanto maior o fator de conversão, mais eficiente a bomba de calor é considerada.

O fator de conversão de uma bomba de calor é expresso através da relação entre o fluxo de calor e a potência elétrica gasta no funcionamento do compressor