Como projetar uma bomba de calor

Indicações gerais sobre como projetar uma bomba de calor completa com referências ao software completo e funcional. De excelente ajuda para quem tem que fazer a escolha do tipo de máquina e seu correto dimensionamento.

Projetar uma bomba de calor é um processo fascinante que combina conhecimentos científicos, de engenharia e práticos para criar um sistema altamente eficiente, capaz de explorar os recursos térmicos do ambiente circundante para aquecer ou arrefecer espaços habitacionais. Este guia criado por Itieffe foi elaborado para oferecer uma visão completa e aprofundada deste tema crucial na área de engenharia térmica e eficiência energética.

As bombas de calor representam uma solução sustentável para aquecimento e arrefecimento de edifícios, pois utilizam uma quantidade mínima de eletricidade para transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente ou vice-versa. Esta abordagem inovadora não só reduz os custos de energia, mas também ajuda a mitigar o impacto ambiental, reduzindo as emissões de gases com efeito de estufa associadas aos sistemas tradicionais de aquecimento e arrefecimento.

Objetivo do guia

Este guia foi criado por Itieffe para ser um ponto de referência para engenheiros, designers, estudantes e entusiastas da indústria interessados em compreender em profundidade os princípios básicos e avançados do projeto de bombas de calor.

Começaremos com uma visão geral das principais características e componentes necessários ao seu funcionamento.

Projetar uma bomba de calor é um processo multidisciplinar que requer conhecimentos em termodinâmica, dinâmica de fluidos, engenharia elétrica e muito mais. No entanto, com o conhecimento certo e a orientação adequada, é possível enfrentar este desafio de forma eficaz e sustentável.

Espero que este guia forneça uma base sólida para compreender e abordar o projeto de bombas de calor com confiança e sucesso. Boa leitura e bom trabalho no fascinante e cada vez mais relevante mundo das bombas de calor.

Como funciona uma bomba de calor e como dimensioná-la

Querendo refletir sobre a tecnologia: "Bombas de calor", notamos que finalmente na Itália, todos os técnicos começaram a fazer cálculos em W ou kW.

Os BTUs (unidades térmicas britânicas) finalmente desapareceram e é assim que deve ser visto que em nosso sistema (SI) os cálculos são estritamente em W (ou kW).

O que é uma bomba de calor

A bomba de calor é uma máquina constituída por um circuito fechado dentro do qual circula um gás refrigerante, capaz de subtrair calor de um ambiente para transferi-lo para outro. pelo calor latente de evaporação e condensação e pela ação do compressor (lembre-se que não existem máquinas que produzem frio, mas apenas aquelas que subtraem calor).

No verão, extrai o calor do interior da sala através do evaporador e transfere-o para o exterior através do condensador, provocando uma diminuição da temperatura.

No inverno a situação se inverte, o evaporador se torna um condensador e vice-versa através de uma válvula (de quatro vias), haverá, portanto, uma subtração de calor do exterior que será liberado para o ambiente, provocando um aumento de temperatura (ver : Circuito de refrigeração - O básico).

Coeficiente de desempenho

Essa transferência de energia faz com que a bomba de calor multiplique a energia elétrica utilizada pelo sistema, resultando em um coeficiente de desempenho (COP - Coeficiente de Desempenho) maior que um.
Graças ao seu alto COP, esta tecnologia é, portanto, a solução ideal capaz de conciliar custos e consumo de energia e sustentabilidade ambiental. Cada kW absorvido pela máquina fornece cerca de 3,5 ao meio ambiente (com COP igual a 3,5).

compressor
condensador
evaporador
válvula de expansão (laminador)
válvula de quatro vias

A válvula de quatro vias permite que o evaporador e o condensador troquem de papéis para que no inverno o condensador seja colocado dentro do ambiente, dando-lhe o calor retirado do exterior pelo evaporador. Por outro lado, no verão, o condensador libera calor para o exterior se o evaporador extrai calor de dentro do ambiente.

Existem várias variedades de bombas de calor que diferem umas das outras na forma como os fluidos são trocados.

1 - Bombas de calor ar-água

É o mais comum para usuários domésticos. Como fonte de energia, o ar externo é usado. O calor absorvido do ar externo pelo evaporador é transferido para a água no circuito de aquecimento.

A temperatura externa ideal para operação regular do sistema não deve ser inferior a 2 ÷ 4 ° C.

Abaixo dessa temperatura você notará variações no desempenho da máquina proporcionais à própria temperatura. Quanto mais baixa a temperatura externa, menos a máquina fornecerá um desempenho aceitável.

bomba de calor
kit hidrônico
tanque de água quente doméstica
piso radiante
radiadores

Este tipo de máquina é oferecido pelos fabricantes em várias configurações.

No nível da planta, existem modelos monobloco e split que também podem ser fornecidos com armazenamento integrado. A configuração de máquina mais utilizada é a split, pois sendo equipada com um módulo hidrônico que pode ser instalado na parede dentro da casa, permite minimizar a parte externa.

Em termos de desempenho, existem modelos padrão, para climas severos e para água de alta temperatura.

2 - Bombas de calor água-água

A água é utilizada como fonte de energia. Pode ser utilizado o proveniente de poços ou de águas subterrâneas.

A água mantém uma temperatura estável durante todo o ano (sua temperatura é sempre muito acima de 4 ° C).

Isso envolve a manutenção de um excelente desempenho operacional da máquina em qualquer estação do ano.

aquífero (ou poço)
bomba de calor

3 - Bombas de calor geotérmicas

Outro sistema de troca de calor são as sondas geotérmicas. O solo tem seu próprio calor, mesmo no inverno.

Utilizando sondas geotérmicas colocadas em profundidade é possível captar este calor e depois transferi-lo para a água do circuito de aquecimento (obviamente através da bomba de calor).

piso radiante
tanque de armazenamento
bomba de calor
sonda geotérmica

Qual carro escolher

Para escolher a máquina mais adequada às suas necessidades, deve-se levar em consideração as seguintes avaliações: tipo, configuração, tamanho e instalação.

1 - Tipologia

A escolha do tipo de máquina que melhor se adapta às suas necessidades recai mais sobre a temperatura a que terá de funcionar, ou seja, a temperatura de entrega exigida pelos terminais do sistema do circuito de aquecimento.

Existem máquinas operando em baixas ou altas temperaturas no mercado. A seleção pode ser feita com base no seguinte esquema:

1 - Radiador 2 - Fan coil 3 - Sistema radiante

Temperatura de funcionamento 65°C Temperatura de funcionamento 50°C Temperatura de funcionamento 35°C

Máquina de alta temperatura Máquina padrão ou climas frios Máquina padrão ou climas frios

Máquinas de alta temperatura

Pode ser usado para substituir a caldeira em residências equipadas com radiadores com temperatura de funcionamento em torno de 65 ° C. Eles permitem manter a distribuição e os terminais do sistema inalterados. Estas máquinas são capazes de produzir água quente até 65°C. O COP alcançado é bastante alto. Chegam a operar com temperaturas do ar externo até -15°C.

Máquinas padrão

Pode ser usado em novas instalações e em residências de baixo consumo de energia. Eles são capazes de produzir água quente até 55 ° C atingindo altos valores de COP.
Embora capaz de produzir calor com temperaturas do ar externo até -20°C, no caso de temperaturas de projeto rígido o desempenho deve ser verificado, pois abaixo de 2°C essas máquinas sofrem uma diminuição significativa no desempenho da potência efetivamente fornecida.

Máquinas de clima frio

Pode ser usado em ambientes muito frios. Eles são a opção ideal para garantir que a capacidade de aquecimento seja mantida mesmo em temperaturas muito baixas.
Essas máquinas são capazes de produzir calor com temperaturas do ar externo tão baixas quanto -28 ° C.

Com uma temperatura externa de -20 ° C, eles mantêm a potência realmente entregue constante sem a necessidade de um superaquecedor elétrico adicional.

2 - Configuração

Para satisfazer todas as necessidades de engenharia e instalação da planta, as bombas de calor são produzidas com diferentes configurações: monobloco, split e torre também chamadas de “All in one”.

- Monobloco:

é o mais simples e menos invasivo de instalar. É uma unidade única que deve ser instalada fora de casa, não requer a criação de conexões no circuito de gás que por isso chega já completo e testado pelo fabricante, facilitando a instalação.
Uma desvantagem a considerar é a de ter que fazer as ligações dos tubos de entrega e retorno da água quente fora da casa. No inverno, devem ser tomadas precauções para evitar a formação de gelo quando a máquina estiver inoperante.

Cabos de aquecimento também podem ser usados, o que, no entanto, diminui o desempenho da máquina, pois aumenta o consumo de eletricidade da casa.

- Dividir:

é o mais difundido entre os disponíveis. Equipado com um compressor para ser instalado no exterior e um módulo hidrónico para ser instalado no interior.
O módulo hidrônico interno contém a parte de condensação do refrigerante e a entrega da água quente, portanto, não gera nenhum ruído, pois não possui compressor.
As dimensões também são reduzidas, permitindo a instalação nos espaços que antes eram ocupados pela caldeira. Neste caso, no entanto, o instalador deve fazer as ligações de fluxo e retorno do circuito de refrigeração entre as unidades interior e exterior.

A - unidade de condensação para bomba de calor

B - módulo hidrônico

1 ÷ 2 - fluxo de gás refrigerante - tubo de retorno

3 - tubo de fornecimento de água quente do sistema e do usuário (inverno)

4 - tubo de retorno de água quente do sistema e do usuário (inverno)

Para completar os dois sistemas, existem no mercado soluções completas: unidade condensadora, módulo hidrônico, volante térmico (veja como calcular um tanque tampão) e acumulador de água quente sanitária (AQS).

Esta solução envolve uma economia considerável nos tempos de implementação e uma baixa possibilidade de erros de instalação.

3 - Tamanho

Qual o tamanho que a máquina deve ter

Cálculo da potência nominal de calor

A bomba de calor deve reintegrar a energia térmica dispersa pelo complexo para manter a temperatura interna constante.

A seguir, são indicados três métodos que podem ajudar a calcular o tamanho de máquina mais adequado às suas necessidades, mesmo para quem não está realmente no setor.

1 - Primeiro método

É necessário ter dados precisos para realizar o cálculo.

Começa com a necessidade anual de energia térmica para o ar condicionado de inverno.

ETH - Necessidade anual de energia térmica para climatização de inverno: a energia térmica necessária, durante a estação de aquecimento, para climatização de inverno. Disponível no Certificado de Desempenho Energético (APE).

S - Superfície útil: a superfície líquida transitável das salas aquecidas do edifício rede de divisórias e paredes externas, incluindo as soleiras das portas e os espaços abaixo dos terminais do sistema. Disponível nos dados do projeto da casa.
gg - Graus-dia: soma apenas das diferenças positivas entre a temperatura interna convencionalmente fixada em 20°C em relação à externa, durante um período de aquecimento invernal estabelecido com base na zona climática do próprio local. Disponível no Anexo A do Decreto Presidencial 412/93 e revisões posteriores (ver Zonas climáticas e Dados indicativos do país).
T_{HUSA -} Temperatura externa do projeto (T₂): a temperatura externa mínima à qual o gerador de calor fornece a energia térmica em qualquer caso suficiente para garantir que a temperatura interna permaneça estacionária. Os dados estão disponíveis consultando a norma UNI 5364 e revisões posteriores ou a norma UNI 10339 (ver Temperaturas externas do projeto).
h - Horas diárias de funcionamento: as horas máximas diárias de funcionamento do aquecimento (ver Zonas climáticas).

Obtidos estes dados, é possível calcular a potência calorífica nominal da máquina utilizando a seguinte fórmula:

Em que:

P_tn = Potência calorífica nominal da máquina em kW

ETH = Necessidade anual de energia térmica para ar condicionado de inverno

S = Superfície útil em m²

T₁ = Temperatura interna em °C

T₂ = Temperatura externa em °C

gg = dia de graus

h = Horas de funcionamento por dia.

Vamos dar um exemplo

País = Roma (zona climática D)
Graus-dia = 1415
Temperatura externa de projeto = 0 ° C
Superfície útil = 90 m²
ETH = 75
h = 12

Aplicando a fórmula:

Portanto, a potência útil nominal da máquina é igual a 7,95 kW

Vamos a outro exemplo:

País = Milão (zona climática E)
Graus-dia = 2404
Temperatura externa de projeto = -5 ° C
Superfície útil = 90 m²
ETH = 75
h = 16

Aplicando a fórmula:

Embora possa parecer estranho para alguns, analisando os dados, nota-se que a potência térmica que a bomba de calor deve usar para manter os valores ideais de temperatura para o mesmo tipo de ambientes em duas cidades com temperaturas diferentes, em Roma é igual a 7,95 , 4,39 kW, enquanto em Milão é igual a XNUMX kW.

Ver: "Dimensionamento da bomba de calor - método"

2 - Segundo método

É possível calcular a necessidade anual de energia térmica para climatização de inverno (ETH) tendo em consideração os dados de consumo indicados na fatura do gás.

Para realizar esta operação, o consumo de gás deve estar disponível há pelo menos 4 anos consecutivos para obter um consumo médio confiável.

A seguinte fórmula pode ser aplicada:

Em que:

ETH = Necessidade anual de energia térmica para ar condicionado de inverno

C = consumo de gás expresso em sm³ (metro cúbico padrão)

Q = potência obtida por sm³ (metro cúbico padrão) de gás (9,6 kWh para metano e 24,5 kWh para GLP).

nota: O GLP é normalmente adquirido em litros. Tem um poder calorífico inferior de 12.790 W/kg - 6.500 W/litro e 24.500 W/sm³

η = eficiência da caldeira (0,82 câmara aberta - 0,86 câmara selada - 0,97 condensação).

N = é o número de usuários para consumo de DHW

500 = consumo anual de energia per capita para a produção de DHW (água quente sanitária) expresso em kWh

S = superfície útil: superfície líquida caminhável das salas aquecidas do edifício.

Vamos dar um exemplo

C = 833 cm³

Q = 10,5 kW/h

h = 0,97

N = 4 pessoas

AQS = consumo 500 kW/h

S = 90 m²

Aplicando a fórmula:

Com o valor ETH calculado desta forma é possível, usando o método anterior, voltar à potência calorífica nominal (P._tn) da máquina expressa em kW.

Ver: "Dimensionamento da bomba de calor - método"

3 - Terceiro método

Método que leva em consideração os fatores ambientais dando como resposta a necessidade térmica necessária para cada ambiente.

Mais caro que os métodos anteriores, mas, em nossa humilde opinião, o mais confiável e que indica extremamente a necessidade de calor dividida para cada ambiente.

Os tempos de aquecimento de uma sala são reduzidos, a velocidade definida é atingida primeiro, mas isso obviamente envolve uma carga maior.

O valor solicitado deve ser inserido em cada célula. É necessário inserir as dimensões reais em largura, comprimento e altura de cada quarto individual, a exposição cardinal, o tipo de construção, a temperatura externa. Os resultados podem ser solicitados nas unidades de medida indicadas.

Ao inserir o COP (Coeficiente de Desempenho) também é possível rastrear o consumo elétrico em kW.

O COP é um coeficiente de desempenho e indica a qualidade da máquina. Quanto maior o seu valor, mais a máquina fornecerá alto desempenho. Ou seja, se o COP for igual a 3.5, para cada kW de energia absorvida pela máquina, ela fornecerá ao ambiente uma energia térmica igual a 3,5 kW, sendo 1 kW de energia elétrica consumida e 2,5 kW retirados do ambiente externo.

As classes de eficiência energética de acordo com as bombas de calor estão indicadas na diretiva europeia 2002/31/EC.

Ver: "Dimensionamento da bomba de calor - calculadora"

3 - Instalação

Produção de AQS

As bombas de calor padrão e de clima frio são projetadas para operar com refrigerantes como R410 ou R32 (consulte "Relação de pressão da temperatura do refrigerante") para os de última geração. São capazes de produzir água quente até 55°C e também podem ser utilizados para a produção de água quente sanitária. Devido à temperatura abaixo de 60°C não são capazes de realizar os ciclos de desinfecção térmica necessários para evitar a possível formação de colônias bacterianas (legionella).

Aconselha-se a sua utilização apenas para aquecimento e/ou arrefecimento (no caso de máquina reversível), deixando a produção de DHW para uma unidade independente mais específica, por exemplo um esquentador com bomba de calor que, graças à utilização de R134a refrigerante é capaz de realizar os ciclos de desinfecção.

Se, por outro lado, você tiver uma máquina para a produção de água de alta temperatura operando com refrigerante R407C (ou com uma máquina específica para aquecimento e produção de água quente por meio de um segundo estágio de compressão com R134a), então é possível e conveniente para manter toda a produção de calor dentro da mesma unidade.

Acumulação do volante térmico

Mesmo que a bomba de calor seja uma máquina moduladora, é sempre aconselhável inserir no circuito um acumulador de compensação de carga térmica (tanque tampão ou volante térmico) pelos seguintes motivos:

assegura condições óptimas de funcionamento da bomba de calor através da optimização dos ciclos de paragem - arranque (liga - desliga) do compressor com consequente diminuição do consumo.

permite a ligação entre diferentes circuitos de aquecimento.
permite o desacoplamento hidráulico entre a bomba de calor e o sistema para que os dois circuitos possam funcionar com o caudal e o diferencial de temperatura mais adequados. As bombas de calor geralmente operam com DT = 5°C enquanto, dependendo dos terminais do sistema presentes, o circuito de distribuição pode operar com DT ainda maior.

Se a máquina estiver equipada com compressor scroll (on - off), o armazenamento inercial é obrigatório. O dimensionamento típico do volume de armazenamento pode ser obtido diretamente do "Cálculo de tanque inercial”E é um mínimo de 5.5 litros por kW de saída de calor que pode ser fornecida pela máquina.

Vaso de expansão

O vaso de expansão é um "pulmão" que está conectado ao sistema de água; serve para suportar a variação de volume causada pelo aquecimento/resfriamento da água dentro do sistema (ver "Massa e volume de água". Isso elimina problemas desagradáveis devido a aumentos súbitos de pressão, como: abertura das válvulas de segurança ou quebra de juntas e tubos de distribuição.

Para dimensionar um vaso de expansão, consulte o programa: "Cálculo do volume do vaso de expansão".

Para saber os litros de água que circulam no sistema, consulte o programa: "Cálculo do volume de água do sistema".

Fonte de alimentação

Para a parte elétrica do sistema, para projetar as linhas de energia, você pode usar o programa: Dimensionamento de cabos elétricos - calculadora.

Para decidir se deve adotar um sistema monofásico ou trifásico, consulte o seguinte programa: Cálculo de correntes de potência e motor

Outros programas gratuitos do mesmo tipo oferecidos pela itieffe ▼

◄ Voltar