Aquecimento e resfriamento com bomba de calor - Parte 2

Durante o ciclo de aquecimento, o calor é retirado do ar externo e “bombeado” para o interior.

• Primeiro, o refrigerante líquido passa através do dispositivo de expansão, mudando para uma mistura líquido/vapor de baixa pressão. Em seguida, vai para a serpentina externa, que atua como serpentina do evaporador. O refrigerante líquido absorve o calor do ar externo e ferve, tornando-se um vapor de baixa temperatura.
• Esse vapor passa pela válvula reversora até o acumulador, que coleta qualquer líquido restante antes que o vapor entre no compressor. O vapor é então comprimido, reduzindo seu volume e provocando seu aquecimento.
• Por fim, a válvula reversora envia o gás, agora quente, para a serpentina interna, que é o condensador. O calor do gás quente é transferido para o ar interno, fazendo com que o refrigerante se condense em líquido. Este líquido retorna ao dispositivo de expansão e o ciclo se repete. A serpentina interna está localizada nos dutos, próximo ao forno.

A capacidade da bomba de calor de transferir calor do ar exterior para a casa depende da temperatura exterior. À medida que esta temperatura cai, a capacidade da bomba de calor de absorver calor também diminui. Para muitas instalações de bombas de calor pneumáticas, isto significa que existe uma temperatura (chamada ponto de equilíbrio térmico) quando a capacidade de aquecimento da bomba de calor é igual à perda de calor da casa. Abaixo desta temperatura ambiente exterior, a bomba de calor pode fornecer apenas parte do calor necessário para manter o espaço confortável, sendo necessário calor suplementar.

É importante notar que a grande maioria das bombas de calor aerotérmicas tem uma temperatura mínima de funcionamento, abaixo da qual não conseguem funcionar. Para modelos mais recentes, isso pode variar entre -15°C e -25°C. Abaixo desta temperatura, deve ser utilizado um sistema suplementar para fornecer aquecimento ao edifício.

O ciclo de resfriamento

O ciclo descrito acima é invertido para resfriar a casa durante o verão. A unidade retira o calor do ar interno e o rejeita para fora.

• Tal como no ciclo de aquecimento, o refrigerante líquido passa através do dispositivo de expansão, transformando-se numa mistura líquido/vapor a baixa pressão. Em seguida, vai para a serpentina interna, que atua como evaporador. O refrigerante líquido absorve o calor do ar interno e ferve, tornando-se um vapor de baixa temperatura.
• Esse vapor passa pela válvula reversora até o acumulador, que coleta o líquido restante, e depois para o compressor. O vapor é então comprimido, reduzindo seu volume e provocando seu aquecimento.
• Por fim, o gás, agora quente, passa pela válvula reversora até a serpentina externa, que atua como condensador. O calor do gás quente é transferido para o ar externo, fazendo com que o refrigerante se condense em líquido. Este líquido retorna ao dispositivo de expansão e o ciclo se repete.

Durante o ciclo de arrefecimento, a bomba de calor também desumidifica o ar interior. A umidade do ar que passa pela serpentina interna condensa na superfície da serpentina e é coletada em um recipiente na parte inferior da serpentina. Um dreno de condensado conecta esta panela ao dreno da casa.

O Ciclo de Descongelamento

Se a temperatura exterior cair para perto ou abaixo de zero quando a bomba de calor estiver a funcionar no modo de aquecimento, a humidade do ar que passa pela serpentina exterior irá condensar-se e congelar-se nela. A quantidade de acúmulo de gelo depende da temperatura externa e da quantidade de umidade do ar.

Este acúmulo de gelo diminui a eficiência da bobina, reduzindo sua capacidade de transferir calor para o refrigerante. Em algum momento, o gelo deve ser removido. Para tal, a bomba de calor muda para o modo de descongelação. A abordagem mais comum é:

• Primeiro, a válvula reversora muda o dispositivo para o modo de resfriamento. Isso envia gás quente para a bobina externa para derreter o gelo. Ao mesmo tempo, o ventilador externo, que normalmente sopra ar frio sobre a serpentina, é desligado para reduzir a quantidade de calor necessária para derreter o gelo.
• Enquanto isto acontece, a bomba de calor arrefece o ar nas condutas. O sistema de aquecimento normalmente aqueceria esse ar à medida que ele é distribuído por toda a casa.

Um dos dois métodos é usado para determinar quando a unidade entra no modo de degelo:

• Os controles de demanda de congelamento monitoram o fluxo de ar, a pressão do refrigerante, a temperatura do ar ou da serpentina e o diferencial de pressão na serpentina externa para detectar o acúmulo de gelo.
• O degelo tempo-temperatura é iniciado e finalizado por um temporizador de intervalo predefinido ou por um sensor de temperatura localizado na bobina externa. O ciclo pode ser iniciado a cada 30, 60 ou 90 minutos, dependendo do clima e do desenho do sistema.

Ciclos de descongelação desnecessários reduzem o desempenho sazonal da bomba de calor. Como resultado, o método de congelamento sob demanda é geralmente mais eficiente, pois inicia o ciclo de degelo somente quando necessário.

Fontes de calor suplementares

Dado que as bombas de calor pneumáticas têm uma temperatura mínima de funcionamento exterior (entre -15 °C e -25 °C) e uma capacidade de aquecimento reduzida a temperaturas muito frias, é importante considerar uma fonte de aquecimento suplementar para o funcionamento das bombas de calor aerotérmicas. Também pode ser necessário aquecimento suplementar durante o descongelamento da bomba de calor. Diferentes opções estão disponíveis:

• Totalmente Elétrico: Nesta configuração, o funcionamento da bomba de calor é complementado com elementos de resistência elétrica localizados nas condutas ou com rodapés elétricos. Estes elementos de resistência são menos eficientes que a bomba de calor, mas a sua capacidade de fornecer aquecimento é independente da temperatura exterior.
• Sistema Híbrido: Em um sistema híbrido, a bomba de calor de fonte de ar utiliza um sistema suplementar, como um forno ou caldeira. Esta opção pode ser utilizada em novas instalações e é também uma boa opção quando uma bomba de calor é adicionada a um sistema existente, por exemplo, quando uma bomba de calor é instalada em substituição de um ar condicionado central.

Consulte a seção final deste livreto, Equipamentos Relacionados, para obter mais informações sobre sistemas que utilizam fontes de aquecimento suplementares. Lá, você pode encontrar discussões sobre opções sobre como programar seu sistema para fazer a transição entre o uso de bomba de calor e o uso de fonte de calor suplementar.

Considerações sobre eficiência energética

Para apoiar a compreensão desta seção, consulte a seção anterior chamada Uma introdução à eficiência da bomba de calor para obter uma explicação do que os HSPFs e os SEERs representam.

No Canadá, os regulamentos de eficiência energética prescrevem uma eficiência sazonal mínima em aquecimento e arrefecimento que deve ser alcançada para que o produto seja vendido no mercado canadiano. Além destes regulamentos, a sua província ou território pode ter requisitos mais rigorosos.

O desempenho mínimo para o Canadá como um todo e as faixas típicas para produtos disponíveis no mercado estão resumidos abaixo para aquecimento e resfriamento. É importante também verificar se existem regulamentos adicionais em vigor na sua região antes de selecionar o seu sistema.

Desempenho sazonal de resfriamento, SEER:

• SEER mínimo (Canadá): 14
• Faixa, SEER em produtos disponíveis no mercado: 14 a 42

Desempenho sazonal de aquecimento, HSPF

• HSPF mínimo (Canadá): 7,1 (para Região V)
• Faixa, HSPF em produtos disponíveis no mercado: 7,1 a 13,2 (para Região V)

Nota: Os fatores HSPF são fornecidos para a Zona Climática V do AHRI, que tem um clima semelhante ao de Ottawa. As eficiências sazonais reais podem variar dependendo da sua região. Um novo padrão de desempenho que visa representar melhor o desempenho destes sistemas nas regiões canadenses está atualmente em desenvolvimento.

Os valores reais do SEER ou HSPF dependem de uma variedade de fatores relacionados principalmente ao projeto da bomba de calor. O desempenho atual evoluiu significativamente nos últimos 15 anos, impulsionado por novos desenvolvimentos na tecnologia de compressores, design de trocadores de calor e melhor fluxo e controle de refrigerante.

Bombas de calor de velocidade única e velocidade variável

De particular importância ao considerar a eficiência é o papel dos novos designs de compressores na melhoria do desempenho sazonal. Normalmente, as unidades que operam com o SEER e HSPF mínimo prescrito são caracterizadas por bombas de calor de velocidade única. Estão agora disponíveis bombas de calor de fonte de ar de velocidade variável, concebidas para variar a capacidade do sistema para corresponder melhor à necessidade de aquecimento/arrefecimento da casa num determinado momento. Isto ajuda a manter a eficiência máxima em todos os momentos, inclusive durante condições mais amenas, quando há menor demanda no sistema.

Mais recentemente, foram introduzidas no mercado bombas de calor de fonte de ar, mais bem adaptadas para operar no clima frio do Canadá. Esses sistemas, muitas vezes chamados de bombas de calor para climas frios, combinam compressores de capacidade variável com projetos e controles aprimorados de trocadores de calor para maximizar a capacidade de aquecimento em temperaturas de ar mais frias, enquanto mantêm altas eficiências durante condições mais amenas. Esses tipos de sistemas normalmente têm valores mais altos de SEER e HSPF, com alguns sistemas atingindo SEERs de até 42 e HSPFs se aproximando de 13.

Certificação, padrões e escalas de classificação

A Canadian Standards Association (CSA) verifica atualmente todas as bombas de calor quanto à segurança elétrica. Um padrão de desempenho especifica testes e condições de teste nos quais as capacidades e eficiência de aquecimento e resfriamento da bomba de calor são determinadas. Os padrões de teste de desempenho para bombas de calor de fonte de ar são CSA C656, que (a partir de 2014) foi harmonizado com ANSI/AHRI 210/240-2008, Classificação de desempenho de equipamentos unitários de ar condicionado e bomba de calor de fonte de ar. Ele também substitui CAN/CSA-C273.3-M91, padrão de desempenho para condicionadores de ar centrais e bombas de calor de sistema split.

Considerações sobre dimensionamento

Para dimensionar adequadamente o seu sistema de bomba de calor, é importante compreender as necessidades de aquecimento e arrefecimento da sua casa. Recomenda-se a contratação de um profissional de aquecimento e refrigeração para realizar os cálculos necessários. As cargas de aquecimento e resfriamento devem ser determinadas usando um método de dimensionamento reconhecido, como CSA F280-12, “Determinando a capacidade necessária de aparelhos de aquecimento e resfriamento de espaços residenciais”.

O dimensionamento do seu sistema de bomba de calor deve ser feito de acordo com o clima, as cargas de aquecimento e arrefecimento do edifício e os objetivos da sua instalação (por exemplo, maximizar a poupança de energia de aquecimento versus substituir um sistema existente durante determinados períodos do ano). Para ajudar neste processo, a NRCan desenvolveu um Guia de Dimensionamento e Seleção de Bombas de Calor de Fonte de Ar. Este guia, juntamente com uma ferramenta de software complementar, destina-se a consultores de energia e projetistas mecânicos e está disponível gratuitamente para fornecer orientação sobre o dimensionamento apropriado.

Se uma bomba de calor for subdimensionada, notará que o sistema de aquecimento suplementar será utilizado com mais frequência. Embora um sistema subdimensionado continue a funcionar de forma eficiente, poderá não obter as poupanças de energia previstas devido à elevada utilização de um sistema de aquecimento suplementar.

Da mesma forma, se uma bomba de calor for sobredimensionada, as poupanças de energia desejadas podem não ser alcançadas devido ao funcionamento ineficiente em condições mais amenas. Embora o sistema de aquecimento suplementar funcione com menos frequência, em condições ambientais mais quentes, a bomba de calor produz demasiado calor e a unidade liga e desliga, provocando desconforto, desgaste da bomba de calor e consumo de energia elétrica em modo de espera. Por isso, é importante ter uma boa compreensão da sua carga de aquecimento e quais são as características de funcionamento da bomba de calor para alcançar poupanças de energia ideais.

Outros critérios de seleção

Além do dimensionamento, vários fatores adicionais de desempenho devem ser considerados:

• HSPF: Selecione uma unidade com o HSPF mais alto possível. Para unidades com classificações HSPF comparáveis, verifique suas classificações de estado estacionário a –8,3°C, a classificação de baixa temperatura. A unidade com maior valor será a mais eficiente na maioria das regiões do Canadá.
• Degelo: Selecione uma unidade com controle de degelo por demanda. Isto minimiza os ciclos de descongelação, o que reduz o consumo de energia suplementar e da bomba de calor.
• Classificação sonora: O som é medido em unidades chamadas decibéis (dB). Quanto menor for o valor, menor será a potência sonora emitida pela unidade exterior. Quanto maior o nível de decibéis, mais alto será o ruído. A maioria das bombas de calor tem uma classificação sonora de 76 dB ou menos.

Considerações de instalação

As bombas de calor de fonte de ar devem ser instaladas por um empreiteiro qualificado. Consulte um profissional local de aquecimento e resfriamento para dimensionar, instalar e manter seu equipamento para garantir operações eficientes e confiáveis. Se você pretende implementar uma bomba de calor para substituir ou complementar seu forno central, você deve estar ciente de que as bombas de calor geralmente operam com fluxos de ar mais elevados do que os sistemas de forno. Dependendo do tamanho da sua nova bomba de calor, algumas modificações podem ser necessárias nas suas condutas para evitar ruído adicional e consumo de energia do ventilador. Seu contratante poderá orientá-lo sobre seu caso específico.

O custo de instalação de uma bomba de calor de fonte de ar depende do tipo de sistema, dos objetivos do projeto e de qualquer equipamento de aquecimento e dutos existentes em sua casa. Em alguns casos, podem ser necessárias modificações adicionais nas condutas ou nos serviços elétricos para apoiar a instalação da sua nova bomba de calor.

Considerações sobre a operação

Você deve observar várias coisas importantes ao operar sua bomba de calor:

• Otimize os pontos de ajuste da bomba de calor e do sistema suplementar. Se você tiver um sistema elétrico suplementar (por exemplo, rodapés ou elementos de resistência no duto), certifique-se de usar um ponto de ajuste de temperatura mais baixo para o seu sistema suplementar. Isto ajudará a maximizar a quantidade de aquecimento que a bomba de calor fornece à sua casa, reduzindo o consumo de energia e as contas de serviços públicos. Recomenda-se um ponto de regulação de 2°C a 3°C abaixo do ponto de regulação da temperatura de aquecimento da bomba de calor. Consulte o seu empreiteiro de instalação sobre o ponto de ajuste ideal para o seu sistema.
• Prepare-se para um degelo eficiente. Você pode reduzir o uso de energia configurando seu sistema para desligar o ventilador interno durante os ciclos de degelo. Isto pode ser executado pelo seu instalador. Porém, é importante ressaltar que o degelo pode demorar um pouco mais com esta configuração.
• Minimize os retrocessos de temperatura. As bombas de calor têm uma resposta mais lenta do que os sistemas de fornos, por isso têm mais dificuldade em responder a quedas profundas de temperatura. Devem ser utilizados recuos moderados não superiores a 2°C ou deve ser utilizado um termóstato “inteligente” que ligue o sistema mais cedo, em antecipação à recuperação do recuo. Novamente, consulte o seu empreiteiro de instalação sobre a temperatura de recuo ideal para o seu sistema.
• Otimize a direção do fluxo de ar. Se você tiver uma unidade interna montada na parede, considere ajustar a direção do fluxo de ar para maximizar seu conforto. A maioria dos fabricantes recomenda direcionar o fluxo de ar para baixo durante o aquecimento e em direção aos ocupantes durante o resfriamento.
• Otimize as configurações do ventilador. Além disso, certifique-se de ajustar as configurações do ventilador para maximizar o conforto. Para maximizar o calor fornecido pela bomba de calor, recomenda-se definir a velocidade do ventilador para alta ou 'Auto'. Sob refrigeração, para melhorar também a desumidificação, recomenda-se a velocidade 'baixa' do ventilador.

Considerações sobre manutenção

A manutenção adequada é fundamental para garantir que a sua bomba de calor funciona de forma eficiente, fiável e tem uma longa vida útil. Você deve contratar um empreiteiro qualificado para fazer a manutenção anual em sua unidade para garantir que tudo esteja em boas condições de funcionamento.

Além da manutenção anual, existem algumas coisas simples que você pode fazer para garantir operações confiáveis ​​e eficientes. Certifique-se de trocar ou limpar o filtro de ar a cada 3 meses, pois filtros entupidos diminuirão o fluxo de ar e reduzirão a eficiência do seu sistema. Além disso, certifique-se de que as aberturas de ventilação e registros de ar em sua casa não estejam bloqueados por móveis ou carpetes, pois o fluxo de ar inadequado de ou para sua unidade pode encurtar a vida útil do equipamento e reduzir a eficiência do sistema.

Custos operacionais

A poupança de energia resultante da instalação de uma bomba de calor pode ajudar a reduzir as suas contas mensais de energia. Conseguir uma redução nas suas contas de energia depende muito do preço da electricidade em relação a outros combustíveis, como o gás natural ou o óleo de aquecimento, e, em aplicações de modernização, do tipo de sistema que está a ser substituído.

As bombas de calor em geral têm um custo mais elevado em comparação com outros sistemas, como fornos ou rodapés elétricos, devido ao número de componentes do sistema. Em algumas regiões e casos, este custo adicional pode ser recuperado num período de tempo relativamente curto através da poupança nos custos dos serviços públicos. No entanto, em outras regiões, taxas de serviços públicos variáveis ​​podem prolongar este período. É importante trabalhar com o seu empreiteiro ou consultor de energia para obter uma estimativa da economia das bombas de calor na sua área e das poupanças potenciais que pode alcançar.

Expectativa de vida e garantias

As bombas de calor pneumáticas têm uma vida útil entre 15 e 20 anos. O compressor é o componente crítico do sistema.

A maioria das bombas de calor é coberta por uma garantia de um ano para peças e mão de obra, e uma garantia adicional de cinco a dez anos para o compressor (apenas para peças). No entanto, as garantias variam entre os fabricantes, portanto, verifique as letras miúdas.

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