Clima

Sistema de aquecimento de bomba de calor

A situação é tal que a forma mais comum de aquecer uma casa no momento é usar caldeiras de aquecimento – gás, combustível sólido, diesel e muito menos – elétrico. Mas sistemas tão simples e, ao mesmo tempo, de alta tecnologia, como bombas de calor, não receberam ampla distribuição, e em vão. Para quem ama e sabe calcular tudo com antecedência, as vantagens são óbvias. As bombas de calor para aquecimento não queimam reservas insubstituíveis de recursos naturais, o que é extremamente importante não só do ponto de vista da proteção ambiental, mas também economizam recursos energéticos, uma vez que se tornam mais caros a cada ano. Além disso, com a ajuda de bombas de calor, você pode não só aquecer o ambiente, mas também aquecer a água quente para as necessidades domésticas, e condicionar o ambiente no calor do verão..

Como funciona a bomba de calor

Detenhamo-nos um pouco mais detalhadamente no princípio de funcionamento de uma bomba de calor. Lembre-se de como a geladeira funciona. O calor dos produtos nele colocados é bombeado para fora e descarregado no radiador localizado na parede posterior. É fácil verificar isso tocando nele. Os aparelhos de ar condicionado domésticos têm um princípio semelhante: eles bombeiam o calor da sala e jogam-no em um radiador localizado na parede externa do prédio..

O funcionamento da bomba de calor, refrigerador e ar condicionado é baseado no ciclo de Carnot.

Como funciona a bomba de calor

A bomba de calor requer eletricidade para funcionar. Mas isso ainda é muito mais lucrativo do que usar apenas um aquecedor elétrico. Já uma caldeira elétrica ou um aquecedor elétrico gasta exatamente a mesma quantidade de eletricidade que dá calor. Por exemplo, se uma potência de 2 kW for escrita em um aquecedor, ela gasta 2 kW por hora e produz 2 kW de calor. Uma bomba de calor produz 3 a 7 vezes mais calor do que consome eletricidade. Por exemplo, 5,5 kW / h são usados ​​para operar o compressor e a bomba, e 17 kW / h de calor são obtidos. É esta alta eficiência a principal vantagem da bomba de calor..

Vantagens e desvantagens do sistema de aquecimento “bomba de calor”

Existem muitas lendas e equívocos em torno das bombas de calor, apesar de não ser uma invenção tão inovadora e de alta tecnologia. Com a ajuda de bombas de calor, todos os estados “quentes” dos EUA, praticamente toda a Europa e Japão, onde a tecnologia foi trabalhada quase ao ideal e há muito tempo, são aquecidos. By the way, não pense que tal equipamento é uma tecnologia puramente estrangeira e veio até nós recentemente. Na verdade, mesmo na URSS, essas unidades eram usadas em instalações experimentais. Um exemplo disso é o sanatório Druzhba na cidade de Yalta. Além da arquitetura futurista, que lembra uma “cabana sobre pernas de frango”, este sanatório também é famoso pelo fato de que desde a década de 80 do século XX são utilizadas bombas de calor industriais. A fonte de calor é o mar próximo e a própria estação de bombagem não só aquece todas as instalações do sanatório, mas também fornece água quente, aquece a água da piscina e arrefece-a durante o período de calor. Portanto, vamos tentar dissipar os mitos e determinar se faz sentido aquecer sua casa dessa forma..

Benefícios dos sistemas de aquecimento com bomba de calor:

  • Economia de energia. Em conexão com o aumento dos preços do gás e do óleo diesel, uma vantagem muito relevante. Na coluna “despesas mensais” será listada apenas a eletricidade, que, como já escrevemos, precisa de muito menos do que o calor efetivamente produzido. Ao comprar uma unidade, é necessário prestar atenção a um parâmetro como o coeficiente de transformação de calor “ϕ” (também pode ser chamado de coeficiente de conversão de calor, coeficiente de transformação de potência ou temperatura). Mostra a relação entre a quantidade de produção de calor e a energia gasta. Por exemplo, se ϕ = 4, então, a um consumo de 1 kW / h, obtemos 4 kW / h de energia térmica.
  • Economia de manutenção. A bomba de calor não requer nenhum tratamento especial. Os custos de manutenção são mínimos.
  • Pode ser instalado em qualquer local. As fontes de calor de baixa temperatura para o funcionamento da bomba de calor podem ser o solo, a água ou o ar. Onde quer que você construa uma casa, mesmo em terreno rochoso, sempre há uma oportunidade de encontrar “comida” para a unidade. Em uma área distante da rede de gás, este é um dos sistemas de aquecimento mais ideais. E mesmo em regiões sem linhas de força, um motor a gasolina ou diesel pode ser instalado para manter o compressor funcionando..
  • Não há necessidade de monitorar o funcionamento da bomba, adicionar combustível, como é o caso de uma caldeira a combustível sólido ou diesel. Todo o sistema de aquecimento da bomba de calor é automatizado.
  • Você pode sair por um longo tempo e não ter medo de que o sistema congele. Ao mesmo tempo, você pode economizar dinheiro instalando uma bomba para fornecer uma temperatura de + 10 ° C na sala de estar..
  • Seguro para o meio ambiente. Para comparação, ao usar caldeiras tradicionais que queimam combustível, vários óxidos de CO, CO2, NOx, SO2, PbO2 são sempre formados, como resultado, os ácidos fosfórico, nitroso, sulfúrico e benzóico são depositados no solo ao redor da casa. Nada é emitido quando a bomba de calor está em funcionamento. E os refrigerantes usados ​​no sistema são absolutamente seguros.
  • Isso também inclui a preservação dos recursos naturais insubstituíveis do planeta..
  • Segurança para pessoas e bens. Em uma bomba de calor, nada fica quente o suficiente para causar superaquecimento ou uma explosão. Além disso, simplesmente não há nada para explodir nele. Portanto, pode ser atribuído a unidades totalmente à prova de fogo..
  • As bombas de calor operam com sucesso mesmo em temperaturas ambientes de -15 ° C. Então, se alguém pensa que tal sistema só pode aquecer uma casa em regiões com invernos quentes de até +5 ° C, então eles estão errados.
  • Reversibilidade da bomba de calor. Uma vantagem indiscutível é a versatilidade do aparelho, com o qual é possível aquecer no inverno e refrescar no verão. Nos dias quentes, a bomba de calor retira o calor da sala e direciona-o para o solo para armazenamento, de onde o levará novamente no inverno. Observe que nem todas as bombas de calor são reversíveis, apenas alguns modelos.
  • Durabilidade. Com os devidos cuidados, as bombas de calor do sistema de aquecimento podem viver de 25 a 50 anos sem grandes reparos, e apenas uma vez a cada 15 a 20 anos será necessário substituir o compressor.

Desvantagens dos sistemas de aquecimento com bomba de calor:

  • Grande investimento inicial. Além do fato de os preços das bombas de calor para aquecimento serem bastante elevados (de 3.000 a 10.000 USD), além da disposição do sistema geotérmico, você precisará gastar nada menos que a própria bomba. Uma exceção é a bomba de calor de fonte de ar, que não requer trabalho adicional. A bomba de calor não terá retorno em breve (dentro de 5 a 10 anos). Portanto, a resposta à questão, se deve ou não usar uma bomba de calor para aquecimento, depende das preferências do proprietário, das suas capacidades financeiras e das condições de construção. Por exemplo, numa região onde o fornecimento de uma canalização de gás e a ligação a ela custam o mesmo que uma bomba de calor, faz sentido dar preferência a esta última..

Sistema de aquecimento de bomba de calor de modo duplo

  • Em regiões onde a temperatura no inverno cai abaixo de -15 ° C, é necessário usar uma fonte de calor adicional. Isso é chamado de sistema de aquecimento bivalente, em que uma bomba de calor fornece calor enquanto está abaixo de -20 ° C no exterior, e quando falha, por exemplo, um aquecedor elétrico ou uma caldeira a gás, ou um gerador de calor é conectado.

Operação da bomba de calor

  • É mais aconselhável usar a bomba de calor em sistemas com um transportador de calor de baixa temperatura, como sistema de aquecimento por piso radiante (+35 ° C) e unidades fan coil (+35 – +45 ° C). Ventiloconvectores são um convetor de ventilador no qual o calor / frio é transferido da água para o ar. Equipar tal sistema em uma casa antiga exigirá uma reforma e reconstrução completa, o que implicará em custos adicionais. Isso não é uma desvantagem ao construir uma nova casa..
  • A compatibilidade ambiental das bombas de calor que retiram calor da água e do solo é um tanto relativa. O fato é que no processo de trabalho, o espaço ao redor das tubulações com o refrigerante esfria, e isso viola o ecossistema estabelecido. Com efeito, mesmo nas profundezas do solo, vivem microrganismos anaeróbios, proporcionando a atividade vital de sistemas mais complexos. Por outro lado, em comparação com a produção de gás ou petróleo, o dano de uma bomba de calor é mínimo..

Avalie todos os prós e contras para tomar a decisão certa.

Fontes de calor para operação de bomba de calor

As bombas de calor retiram calor de fontes naturais que acumulam radiação solar durante a estação quente. As bombas de calor diferem dependendo da fonte de calor..

Priming

O solo é a fonte de calor mais estável que se acumula ao longo da temporada. A uma profundidade de 5 – 7 m, a temperatura do solo é quase sempre constante e igual a aproximadamente +5 – + 8 ° С, e a uma profundidade de 10 m, é sempre constante + 10 ° С. Existem duas maneiras de coletar o calor do solo.

Coletor de solo horizontal com bomba de calor

Coletor de solo horizontal é um tubo colocado horizontalmente através do qual o refrigerante circula. A profundidade do coletor horizontal é calculada individualmente dependendo das condições, às vezes é 1,5 – 1,7 m – a profundidade de congelamento do solo, às vezes menor – 2 – 3 m para garantir maior estabilidade de temperatura e menor diferença, e às vezes apenas 1 – 1,2 m – aqui o solo começa a aquecer mais rápido na primavera. Há momentos em que um coletor horizontal de duas camadas é equipado..

Coletor de solo da bomba de calor

Os tubos coletores horizontais estão disponíveis em diferentes diâmetros de 25 mm, 32 mm e 40 mm. A forma de seu layout também pode ser diferente – cobra, loop, zigue-zague, várias espirais. A distância entre os tubos na cobra deve ser de pelo menos 0,6 m, e geralmente 0,8 – 1 m.

A remoção de calor específica de cada metro contínuo do tubo depende da estrutura do solo:

  • Areia seca – 10 W / m;
  • Argila seca – 20 W / m;
  • A argila é mais úmida – 25 W / m;
  • Argila com um teor de água muito alto – 35 W / m.

Para aquecer uma casa com área de 100 m2, desde que o solo seja argiloso úmido, serão necessários 400 m2 de área de parcela para o coletor. Isso é bastante – 4 – 5 ares. E dado o fato de que neste local não deve haver edifícios e apenas um gramado e canteiros de flores com flores anuais são permitidos, então nem todos podem se dar ao luxo de equipar um coletor horizontal.

Um líquido especial flui através dos tubos do coletor, também é chamado “salmoura” ou anticongelante, por exemplo, uma solução a 30% de etilenoglicol ou propilenoglicol. A “salmoura” coleta o calor do solo e é direcionada para a bomba de calor, de onde o transfere para o refrigerante. A “salmoura” resfriada flui de volta para o coletor de solo.

Sonda de aterramento vertical para bomba de calor

Sonda de aterramento vertical é um sistema de tubos enterrados a 50 – 150 m. Pode ser apenas um tubo em forma de U, rebaixado a uma grande profundidade de 80 – 100 me preenchido com concreto. Ou talvez um sistema de tubos em forma de U, abaixado 20 m para coletar energia de uma área maior. Perfurar a uma profundidade de 100 – 150 m não é apenas caro, mas também requer uma licença especial, razão pela qual eles freqüentemente vão ao trabalho e equipam várias sondas rasas. A distância entre essas sondas é de 5 – 7 m..

A remoção de calor específico do coletor vertical também depende da rocha:

  • Rochas sedimentares secas – 20 W / m;
  • Rochas sedimentares saturadas de água e solo pedregoso – 50 W / m;
  • Solo pedregoso com alto coeficiente de condutividade térmica – 70 W / m;
  • Água subterrânea (crimpagem) – 80 W / m.

A área de um coletor vertical é muito pequena, mas o custo de sua disposição é superior ao de um coletor horizontal. A vantagem do coletor vertical também é uma temperatura mais estável e maior produção de calor..

Água

Existem muitas maneiras de usar a água como fonte de calor.

Coletor de água da bomba de calor

Coletor no fundo de um reservatório aberto sem congelamento – rios, lagos, mares – representam canos com “salmoura”, submersos com a ajuda de carga. Devido à alta temperatura do refrigerante, este método é o mais lucrativo e econômico. Só podem equipar o coletor de água quem tem reservatório a no máximo 50 m, caso contrário, perder-se-á a eficiência da instalação. Como você entende, nem todo mundo tem essas condições. Mas não usar bombas de calor para residentes costeiros é apenas míope e estúpido..

Calor de águas residuais para operação de bomba de calor

Coletor de esgoto ou as águas residuais após as instalações técnicas podem ser utilizadas para aquecimento de casas e até mesmo de edifícios altos e empreendimentos industriais na cidade, bem como para a preparação de água quente. O que está sendo feito com sucesso em algumas cidades de nossa Pátria.

Poço de água para bomba de calor

Poço ou água subterrânea usado com menos frequência do que outros colecionadores. Tal sistema implica na construção de dois poços, de um deles é retirada água, que transfere seu calor para o refrigerante na bomba de calor, e a água resfriada é descarregada na segunda. Em vez de um poço, pode haver um poço de filtração. Em qualquer caso, o poço de descarga deve estar localizado a uma distância de 15 a 20 m do primeiro, e mesmo a jusante (as águas subterrâneas também têm curso próprio). Este sistema é bastante difícil de operar, pois a qualidade da água fornecida deve ser monitorada – ela deve ser filtrada, e as partes da bomba de calor (evaporador) devem ser protegidas da corrosão e poluição..

Ar

Bomba de calor de fonte de ar

O design mais simples é sistema de aquecimento de bomba de calor de fonte de ar. Nenhum manifold adicional é necessário. O ar do ambiente vai diretamente para o evaporador, onde transfere seu calor para o refrigerante, que por sua vez transfere calor para o refrigerante dentro da casa. Pode ser ar para ventiloconvectores ou água para pavimento radiante e radiador..

Princípio de funcionamento da bomba de calor de fonte de ar

O custo de instalação de uma bomba de calor de ar é o mais baixo, mas o desempenho da instalação depende muito da temperatura do ar. Em regiões com invernos quentes (até +5 – 0 ° C), esta é uma das fontes de calor mais econômicas. Mas se a temperatura do ar cair abaixo de -15 ° C, o desempenho cai tanto que não faz sentido usar uma bomba, mas é mais lucrativo ligar um aquecedor elétrico convencional ou caldeira.

Avaliações de bombas de calor de ar para aquecimento são muito controversas. Tudo depende da região de uso. É benéfico usá-los em regiões com invernos quentes, por exemplo, em Sochi, onde uma fonte de calor duplicada nem mesmo é necessária em caso de geadas severas. Também é possível instalar bombas de calor de fonte de ar em regiões onde o ar é relativamente seco e a temperatura no inverno é de até -15 ° C. Mas em um clima úmido e frio, essas instalações sofrem de congelamento e gelo. Os pingentes de gelo grudados no ventilador impedem que todo o sistema funcione normalmente.

Aquecimento da bomba de calor: custo do sistema e custos operacionais

A potência da bomba de calor é selecionada em função das funções que lhe serão atribuídas. Se for apenas aquecimento, os cálculos podem ser feitos em uma calculadora especial que leva em conta as perdas de calor do edifício. Já agora, o melhor desempenho de uma bomba de calor com uma perda de calor do edifício não superior a 80 – 100 W / m2. Para simplificar, vamos supor que uma bomba de 10 kW é necessária para aquecer uma casa de 100 m2 com tetos de 3 m de altura e uma perda de calor de 60 W / m2. Para aquecer água, você terá que levar uma unidade com reserva de energia – 12 ou 16 kW.

Custo da bomba de calor depende não só da potência, mas também da confiabilidade e das solicitações do fabricante. Por exemplo, uma unidade de 16 kW de fabricação russa custará $ 7.000, enquanto uma bomba estrangeira RFM 17 de 17 kW custa cerca de $ 13.200. com todos os equipamentos relacionados, exceto para o manifold.

A próxima linha de despesas será arranjo do coletor. Também depende da capacidade da instalação. Por exemplo, para uma casa de 100 m2, na qual o piso radiante (100 m2) ou radiadores de aquecimento de 80 m2 estão instalados em todos os lugares, bem como para o aquecimento de água a +40 ° C com um volume de 150 l / h, será ser necessário perfurar poços para coletores. Esse coletor vertical custará $ 13.000..

Um coletor no fundo do reservatório custará um pouco menos. Nas mesmas condições, custará US $ 11.000. Mas é melhor esclarecer o custo de instalação de um sistema geotérmico em empresas especializadas, pode ser muito diferente. Por exemplo, o arranjo de um coletor horizontal para uma bomba com potência de 17 kW custará apenas 2.500 USD. E para uma bomba de calor de ar, um coletor não é necessário.

No total, o custo da bomba de calor é de 8.000 USD. em média, o arranjo do coletor é de 6.000 USD. média.

O custo mensal de aquecimento com bomba de calor inclui apenas custos de eletricidade. Você pode calculá-los assim – o consumo de energia deve ser indicado na bomba. Por exemplo, para a bomba de 17 kW mencionada acima, o consumo de energia é de 5,5 kW / h. No total, o sistema de aquecimento opera 225 dias por ano, ou seja, 5400 horas. Tendo em conta que a bomba de calor e o compressor nela operam ciclicamente, o consumo de energia deve ser reduzido para metade. Durante a estação de aquecimento, 5400 h * 5,5 kW / h / 2 = 14.850 kW serão gastos.

Multiplicamos o número de kWt consumidos pelo custo da transportadora de energia em sua região. Por exemplo, $ 0,05. por 1 kW / hora. No total, US $ 742,5 serão gastos no ano. Para cada mês em que funcionou a bomba de calor para aquecimento, são $ 100. custos de eletricidade. Se você dividir os custos por 12 meses, obterá 60 USD por mês..

Eficiência da bomba de calor

Tenha em atenção que quanto menor for o consumo de energia da bomba de calor, menores serão os custos mensais. Por exemplo, existem 17 bombas kW, que consomem apenas 10.000 kW por ano (custa $ 500). Também é importante que o desempenho da bomba de calor seja tanto maior quanto menor for a diferença de temperatura entre a fonte de calor e o refrigerante no sistema de aquecimento.. É por isso que dizem que é mais rentável instalar unidades de aquecimento por piso radiante e ventiloconvectores. Embora radiadores de aquecimento padrão com um portador de calor de alta temperatura (+65 – +95 ° C) também possam ser instalados, mas com um acumulador de calor adicional, por exemplo, uma caldeira de aquecimento indireto. Uma caldeira também é usada para reaquecer a água quente..

As bombas de calor são benéficas quando usadas em sistemas bivalentes. Além da bomba, pode ser instalado um coletor solar, que poderá abastecer totalmente a bomba com eletricidade no verão, altura em que funcionará para arrefecimento. Para segurança no inverno, você pode adicionar um gerador de calor, que vai aquecer a água para o abastecimento de água quente e radiadores de alta temperatura.