Aquecimento e resfriamento com bomba de calor - Parte 1

Introdução

Se estiver a explorar opções para aquecer e arrefecer a sua casa ou reduzir as suas contas de energia, poderá querer considerar um sistema de bomba de calor. As bombas de calor são uma tecnologia comprovada e confiável no Canadá, capaz de fornecer controle de conforto para sua casa durante todo o ano, fornecendo calor no inverno, resfriamento no verão e, em alguns casos, aquecimento de água quente para sua casa.

As bombas de calor podem ser uma excelente escolha em uma variedade de aplicações, tanto para novas residências quanto para reformas de sistemas de aquecimento e resfriamento existentes. São também uma opção para substituir sistemas de ar condicionado existentes, uma vez que o custo incremental para passar de um sistema apenas de refrigeração para uma bomba de calor é muitas vezes bastante baixo. Dada a variedade de diferentes tipos e opções de sistemas, muitas vezes pode ser difícil determinar se uma bomba de calor é a opção certa para a sua casa.

Se você está considerando uma bomba de calor, provavelmente terá uma série de perguntas, incluindo:

• Que tipos de bombas de calor estão disponíveis?
• Quanto das minhas necessidades anuais de aquecimento e refrigeração uma bomba de calor pode fornecer?
• Qual é o tamanho da bomba de calor que preciso para minha casa e aplicação?
• Quanto custam as bombas de calor em comparação com outros sistemas e quanto posso poupar na minha conta de energia?
• Precisarei fazer modificações adicionais em minha casa?
• Quanto de manutenção o sistema exigirá?

Este folheto fornece factos importantes sobre bombas de calor para o ajudar a estar mais informado, apoiando-o a fazer a escolha certa para a sua casa. Utilizando estas questões como guia, este folheto descreve os tipos mais comuns de bombas de calor e discute os factores envolvidos na escolha, instalação, funcionamento e manutenção de uma bomba de calor.

Audiência pretendida

Este folheto destina-se a proprietários de residências que procuram informações básicas sobre tecnologias de bombas de calor, a fim de apoiar a tomada de decisões informadas relativamente à seleção e integração do sistema, operação e manutenção. As informações fornecidas aqui são gerais e detalhes específicos podem variar dependendo da instalação e do tipo de sistema. Este livreto não deve substituir o trabalho com um empreiteiro ou consultor de energia, que garantirá que sua instalação atenda às suas necessidades e aos objetivos desejados.

Uma nota sobre gestão de energia em casa

As bombas de calor são sistemas de aquecimento e arrefecimento muito eficientes e podem reduzir significativamente os seus custos de energia. Ao pensar na casa como um sistema, recomenda-se que as perdas de calor da sua casa sejam minimizadas em áreas como fugas de ar (através de fendas, buracos), paredes, tectos, janelas e portas mal isoladas.

Resolver estes problemas primeiro pode permitir-lhe utilizar uma bomba de calor de menor tamanho, reduzindo assim os custos do equipamento da bomba de calor e permitindo que o seu sistema opere de forma mais eficiente.

Uma série de publicações que explicam como fazer isso estão disponíveis na Natural Resources Canada.

O que é uma bomba de calor e como funciona?

As bombas de calor são uma tecnologia comprovada que tem sido usada há décadas, tanto no Canadá como em todo o mundo, para fornecer aquecimento, refrigeração e, em alguns casos, água quente de forma eficiente aos edifícios. Na verdade, é provável que você interaja diariamente com a tecnologia da bomba de calor: refrigeradores e aparelhos de ar condicionado funcionam usando os mesmos princípios e tecnologia. Esta seção apresenta os princípios básicos de como funciona uma bomba de calor e apresenta diferentes tipos de sistemas.

Conceitos Básicos de Bomba de Calor

Uma bomba de calor é um dispositivo acionado eletricamente que extrai calor de um local de baixa temperatura (uma fonte) e o entrega a um local de temperatura mais alta (uma pia).

Para entender esse processo, pense em um passeio de bicicleta sobre uma colina: nenhum esforço é necessário para ir do topo até a base da colina, pois a bicicleta e o ciclista se moverão naturalmente de um lugar alto para um mais baixo. Porém, subir a ladeira exige muito mais trabalho, pois a bicicleta se move contra a direção natural do movimento.

De forma semelhante, o calor flui naturalmente de locais com temperaturas mais elevadas para locais com temperaturas mais baixas (por exemplo, no inverno, o calor do interior do edifício é perdido para o exterior). Uma bomba de calor utiliza energia eléctrica adicional para contrariar o fluxo natural de calor e bombear a energia disponível num local mais frio para um local mais quente.

Então, como é que uma bomba de calor aquece ou arrefece a sua casa? À medida que a energia é extraída de uma fonte, a temperatura da fonte é reduzida. Se a casa for utilizada como fonte, a energia térmica será retirada, resfriando esse espaço. É assim que uma bomba de calor funciona no modo de refrigeração e é o mesmo princípio utilizado pelos aparelhos de ar condicionado e frigoríficos. Da mesma forma, à medida que a energia é adicionada a um sumidouro, a sua temperatura aumenta. Se a casa for utilizada como pia, será acrescentada energia térmica, aquecendo o ambiente. Uma bomba de calor é totalmente reversível, o que significa que pode aquecer e arrefecer a sua casa, proporcionando conforto durante todo o ano.

Fontes e sumidouros para bombas de calor

A seleção da fonte e do dissipador para o seu sistema de bomba de calor ajuda muito na determinação do desempenho, dos custos de capital e dos custos operacionais do seu sistema. Esta seção fornece uma breve visão geral das fontes e sumidouros comuns para aplicações residenciais no Canadá.

Fontes: Duas fontes de energia térmica são mais comumente usadas para aquecimento de residências com bombas de calor no Canadá:

• Fonte de ar: A bomba de calor retira calor do ar exterior durante a estação de aquecimento e rejeita o calor do exterior durante a estação de arrefecimento do verão.
• Pode ser surpreendente saber que mesmo quando as temperaturas exteriores são baixas, ainda existe uma grande quantidade de energia disponível que pode ser extraída e entregue ao edifício. Por exemplo, o conteúdo de calor do ar a -18°C equivale a 85% do calor contido a 21°C. Isto permite que a bomba de calor forneça bastante aquecimento, mesmo em climas mais frios.
• Os sistemas de fonte aérea são os mais comuns no mercado canadense, com mais de 700.000 unidades instaladas em todo o Canadá.
• Este tipo de sistema é discutido com mais detalhes na seção Bombas de calor de fonte de ar.
• Fonte subterrânea: Uma bomba de calor de fonte subterrânea usa a terra, a água subterrânea ou ambos como fonte de calor no inverno e como reservatório para rejeitar o calor removido da casa no verão.
• Estas bombas de calor são menos comuns que as unidades de fonte de ar, mas estão a tornar-se mais amplamente utilizadas em todas as províncias do Canadá. A sua principal vantagem é que não estão sujeitos a flutuações extremas de temperatura, utilizando o solo como fonte de temperatura constante, resultando no tipo de sistema de bomba de calor com maior eficiência energética.
• Este tipo de sistema é discutido com mais detalhes na seção Bombas de Calor Subterrâneas.

Pias: Duas pias para energia térmica são mais comumente usadas para aquecimento de casas com bombas de calor no Canadá:

• O ar interior é aquecido pela bomba de calor. Isto pode ser feito através de: A água dentro do edifício é aquecida. Essa água pode então ser usada para servir sistemas terminais como radiadores, piso radiante ou unidades fan coil por meio de um sistema hidrônico.
  • Um sistema de dutos centralizados ou
  • Uma unidade interna sem dutos, como uma unidade montada na parede.

Uma introdução à eficiência da bomba de calor

Fornos e caldeiras fornecem aquecimento ambiente adicionando calor ao ar por meio da combustão de um combustível como gás natural ou óleo para aquecimento. Embora as eficiências tenham melhorado continuamente, ainda permanecem abaixo de 100%, o que significa que nem toda a energia disponível da combustão é utilizada para aquecer o ar.

As bombas de calor funcionam com um princípio diferente. A entrada de eletricidade na bomba de calor é usada para transferir energia térmica entre dois locais. Isto permite que a bomba de calor opere de forma mais eficiente, com eficiências típicas bem superiores

100%, ou seja, é produzida mais energia térmica do que a quantidade de energia elétrica utilizada para bombeá-la.

É importante notar que a eficiência da bomba de calor depende muito das temperaturas da fonte e do sumidouro. Tal como uma colina mais íngreme exige mais esforço para subir numa bicicleta, maiores diferenças de temperatura entre a fonte e o dissipador da bomba de calor exigem que esta trabalhe mais e podem reduzir a eficiência. Determinar o tamanho certo da bomba de calor para maximizar a eficiência sazonal é fundamental. Esses aspectos são discutidos com mais detalhes nas seções Bombas de calor de fonte aérea e Bombas de calor de fonte subterrânea.

Terminologia de Eficiência

Uma variedade de métricas de eficiência são usadas nos catálogos dos fabricantes, o que pode tornar a compreensão do desempenho do sistema um tanto confusa para um comprador iniciante. Abaixo está uma análise de alguns termos de eficiência comumente usados:

Métricas de estado estacionário: Estas medidas descrevem a eficiência da bomba de calor num “estado estacionário”, ou seja, sem flutuações reais na estação e na temperatura. Como tal, o seu valor pode mudar significativamente à medida que as temperaturas da fonte e do dreno, e outros parâmetros operacionais, mudam. As métricas de estado estacionário incluem:

Coeficiente de Desempenho (COP): O COP é uma relação entre a taxa na qual a bomba de calor transfere energia térmica (em kW) e a quantidade de energia elétrica necessária para fazer o bombeamento (em kW). Por exemplo, se uma bomba de calor utilizasse 1 kW de energia elétrica para transferir 3 kW de calor, o COP seria 3.

Índice de Eficiência Energética (EER): O EER é semelhante ao COP e descreve a eficiência de resfriamento em estado estacionário de uma bomba de calor. É determinado dividindo a capacidade de refrigeração da bomba de calor em Btu/h pela entrada de energia elétrica em Watts (W) a uma temperatura específica. O EER está estritamente associado à descrição da eficiência de resfriamento em estado estacionário, ao contrário do COP, que pode ser usado para expressar a eficiência de uma bomba de calor tanto no aquecimento quanto no resfriamento.

Métricas de desempenho sazonal: Estas medidas são concebidas para fornecer uma melhor estimativa do desempenho durante uma estação de aquecimento ou arrefecimento, incorporando variações “da vida real” nas temperaturas ao longo da estação.

As métricas sazonais incluem:

• Fator de desempenho sazonal de aquecimento (HSPF): HSPF é uma relação entre a quantidade de energia que a bomba de calor fornece ao edifício durante toda a estação de aquecimento (em Btu) e a energia total (em Watt-hora) que utiliza durante o mesmo período.

As características dos dados meteorológicos das condições climáticas de longo prazo são utilizadas para representar a estação de aquecimento no cálculo do HSPF. No entanto, este cálculo é normalmente limitado a uma única região e pode não representar totalmente o desempenho em todo o Canadá. Alguns fabricantes podem fornecer um HSPF para outra região climática mediante solicitação; no entanto, normalmente os HSPFs são relatados para a Região 4, representando climas semelhantes aos do Centro-Oeste dos EUA. A Região 5 cobriria a maior parte da metade sul das províncias do Canadá, desde o interior do BC até New Brunswick. Nota de rodapé1.

• Índice de Eficiência Energética Sazonal (SEER): O SEER mede a eficiência de resfriamento da bomba de calor durante toda a estação de resfriamento. É determinado dividindo o arrefecimento total fornecido durante a estação de arrefecimento (em Btu) pela energia total utilizada pela bomba de calor durante esse período (em Watt-hora). O SEER é baseado em um clima com temperatura média no verão de 28°C.

Terminologia importante para sistemas de bomba de calor

Aqui estão alguns termos comuns que você pode encontrar ao investigar bombas de calor.

Componentes do sistema de bomba de calor

O refrigerante é o fluido que circula pela bomba de calor, absorvendo, transportando e liberando alternadamente calor. Dependendo de sua localização, o fluido pode ser líquido, gasoso ou uma mistura de gás/vapor.

A válvula de reversão controla a direção do fluxo do refrigerante na bomba de calor e muda a bomba de calor do modo de aquecimento para o modo de resfriamento ou vice-versa.

Uma bobina é um loop, ou loops, de tubulação onde ocorre a transferência de calor entre a fonte/dissipador e o refrigerante. A tubulação pode ter aletas para aumentar a área de superfície disponível para troca de calor.

O evaporador é uma serpentina na qual o refrigerante absorve o calor do ambiente e ferve para se tornar um vapor de baixa temperatura. À medida que o refrigerante passa da válvula reversora para o compressor, o acumulador coleta qualquer excesso de líquido que não se vaporizou em gás. Nem todas as bombas de calor, no entanto, possuem um acumulador.

O compressor comprime as moléculas do gás refrigerante, aumentando a temperatura do refrigerante. Este dispositivo ajuda a transferir energia térmica entre a fonte e o sumidouro.

O condensador é uma serpentina na qual o refrigerante libera calor para o ambiente e se torna líquido.

O dispositivo de expansão reduz a pressão criada pelo compressor. Isso faz com que a temperatura caia e o refrigerante se torne uma mistura vapor/líquido de baixa temperatura.

A unidade externa é onde o calor é transferido de/para o ar externo em uma bomba de calor com fonte de ar. Esta unidade geralmente contém uma bobina do trocador de calor, o compressor e a válvula de expansão. Ele parece e funciona da mesma maneira que a parte externa de um ar condicionado.

A serpentina interna é onde o calor é transferido de/para o ar interno em certos tipos de bombas de calor de fonte de ar. Geralmente, a unidade interna contém uma serpentina trocador de calor e também pode incluir um ventilador adicional para circular o ar aquecido ou resfriado para o espaço ocupado.

O plenum, visto apenas em instalações canalizadas, faz parte da rede de distribuição de ar. O plenum é um compartimento de ar que faz parte do sistema de distribuição de ar aquecido ou resfriado pela casa. Geralmente é um grande compartimento imediatamente acima ou ao redor do trocador de calor.

Outros termos

Unidades de medida para capacidade ou uso de energia:

• Um Btu/h, ou unidade térmica britânica por hora, é uma unidade usada para medir a produção de calor de um sistema de aquecimento. Um Btu é a quantidade de energia térmica emitida por uma vela de aniversário típica. Se esta energia térmica fosse libertada ao longo de uma hora, seria o equivalente a um Btu/h.
• Um kW, ou quilowatt, é igual a 1000 watts. Esta é a quantidade de energia necessária para dez lâmpadas de 100 watts.
• Uma tonelada é uma medida da capacidade da bomba de calor. É equivalente a 3,5 kW ou 12.000 Btu/h.

Bombas de calor de fonte de ar

As bombas de calor de fonte de ar utilizam o ar exterior como fonte de energia térmica no modo de aquecimento e como dissipador para rejeitar energia quando no modo de arrefecimento. Esses tipos de sistemas geralmente podem ser classificados em duas categorias:

Bombas de calor ar-ar. Essas unidades aquecem ou resfriam o ar dentro de sua casa e representam a grande maioria das integrações de bombas de calor de fonte de ar no Canadá. Eles podem ainda ser classificados de acordo com o tipo de instalação:

• Conduzido: A serpentina interna da bomba de calor está localizada em um duto. O ar é aquecido ou resfriado passando pela serpentina, antes de ser distribuído pelos dutos para diferentes locais da casa.
• Sem condutas: A serpentina interior da bomba de calor está localizada numa unidade interior. Estas unidades interiores estão geralmente localizadas no chão ou na parede de um espaço ocupado e aquecem ou arrefecem diretamente o ar desse espaço. Entre essas unidades, você pode ver os termos mini e multi-split:
  • Mini-Split: Uma única unidade interna está localizada dentro da casa, servida por uma única unidade externa.
  • Multi-Split: Várias unidades internas estão localizadas na casa e são atendidas por uma única unidade externa.

Os sistemas ar-ar são mais eficientes quando a diferença de temperatura entre o interior e o exterior é menor. Devido a isto, as bombas de calor ar-ar geralmente tentam optimizar a sua eficiência fornecendo um maior volume de ar quente e aquecendo esse ar a uma temperatura mais baixa (normalmente entre 25 e 45°C). Isto contrasta com os sistemas de fornos, que fornecem um volume menor de ar, mas aquecem esse ar a temperaturas mais altas (entre 55°C e 60°C). Se você estiver mudando de um forno para uma bomba de calor, poderá notar isso quando começar a usar sua nova bomba de calor.

Bombas de calor ar-água: Menos comuns no Canadá, as bombas de calor ar-água aquecem ou resfriam água e são usadas em residências com sistemas de distribuição hidrônicos (à base de água), como radiadores de baixa temperatura, pisos radiantes ou unidades fan coil. No modo de aquecimento, a bomba de calor fornece energia térmica ao sistema hidrónico. Este processo é revertido no modo de resfriamento, e a energia térmica é extraída do sistema hidrônico e rejeitada para o ar externo.

As temperaturas operacionais no sistema hidrônico são críticas na avaliação de bombas de calor ar-água. As bombas de calor ar-água funcionam de forma mais eficiente ao aquecer a água a temperaturas mais baixas, ou seja, abaixo de 45 a 50°C, e como tal são mais adequadas para pisos radiantes ou sistemas de fan coil. Deve ter-se cuidado ao considerar a sua utilização com radiadores de alta temperatura que requerem temperaturas da água superiores a 60°C, uma vez que estas temperaturas geralmente excedem os limites da maioria das bombas de calor residenciais.

Principais benefícios das bombas de calor de fonte de ar

A instalação de uma bomba de calor com fonte de ar pode oferecer vários benefícios. Esta seção explora como as bombas de calor de fonte de ar podem beneficiar a pegada energética de sua casa.

Eficiência

O principal benefício do uso de uma bomba de calor de fonte de ar é a alta eficiência que ela pode proporcionar no aquecimento em comparação com sistemas típicos como fornos, caldeiras e rodapés elétricos. A 8°C, o coeficiente de desempenho (COP) das bombas de calor pneumáticas normalmente varia entre 2,0 e 5,4. Isto significa que, para unidades com um COP de 5, são transferidos 5 quilowatts-hora (kWh) de calor por cada kWh de eletricidade fornecida à bomba de calor. À medida que a temperatura do ar exterior diminui, os COPs são mais baixos, uma vez que a bomba de calor deve funcionar com uma maior diferença de temperatura entre o espaço interior e exterior. A –8°C, os COPs podem variar de 1,1 a 3,7.

Numa base sazonal, o fator de desempenho sazonal de aquecimento (HSPF) das unidades disponíveis no mercado pode variar de 7,1 a 13,2 (Região V). É importante notar que estas estimativas do HSPF são para uma área com clima semelhante ao de Ottawa. As poupanças reais dependem muito da localização da instalação da sua bomba de calor.

Economia de energia

A maior eficiência da bomba de calor pode traduzir-se em reduções significativas no consumo de energia. As poupanças reais na sua casa dependerão de uma série de factores, incluindo o clima local, a eficiência do seu sistema actual, o tamanho e tipo da bomba de calor e a estratégia de controlo. Muitas calculadoras on-line estão disponíveis para fornecer uma estimativa rápida de quanta economia de energia você pode esperar para sua aplicação específica. A ferramenta ASHP-Eval do NRCan está disponível gratuitamente e pode ser usada por instaladores e projetistas mecânicos para ajudar a aconselhar sobre sua situação.

Como funciona uma bomba de calor de fonte de ar?

Transcrição

Uma bomba de calor de fonte de ar tem três ciclos:

• O Ciclo de Aquecimento: Fornecendo energia térmica ao edifício
• O Ciclo de Resfriamento: Removendo a energia térmica do edifício
• O Ciclo de Descongelamento: Removendo o Gelo
• acúmulo em bobinas externas

O Ciclo de Aquecimento

Observação:

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