Ao contrário dos dispositivos de energia alternativa, como painéis solares e turbinas eólicas, a bomba de calor é menos conhecida. E em vão. O esquema de água subterrânea mais comum funciona de forma estável e não depende das condições meteorológicas ou climáticas. E você pode fazer isso sozinho.
Um pouco de teoria
É mais fácil usar o calor natural da terra para aquecer uma casa se houver água geotérmica na região (como é feito na Islândia). Mas essas condições são raras..
E, ao mesmo tempo, a energia térmica está em toda parte – você só precisa extraí-la e fazê-la funcionar. É para isso que serve a bomba de calor. O que faz:
- obtém energia de fontes naturais de baixa temperatura;
- o acumula, ou seja, eleva a temperatura a valores elevados;
- dá para o refrigerante do sistema de aquecimento.
Em princípio, um esquema de refrigerador de compressor padrão é usado, mas “vice-versa”. Um transportador de calor natural circula no primeiro circuito. É fechado para um trocador de calor que atua como um evaporador para o segundo circuito.
1 – terra; 2 – circulação de salmoura; 3 – bomba de circulação; 4 – evaporador; 5 – compressor; 6 – capacitor; 7 – sistema de aquecimento; 8 – refrigerante; 9 – estrangulamento
O segundo circuito é a própria bomba de calor, dentro da qual existe o freon. Um ciclo de bomba de calor consiste nas seguintes etapas:
- No evaporador, o freon é aquecido até o ponto de ebulição. Depende do tipo de freon e da pressão nesta parte do sistema (geralmente até 5 atmosferas).
- No estado gasoso, o freon entra no compressor e é comprimido a 25 atmosferas, enquanto sua temperatura aumenta (quanto maior a compressão, maior a temperatura). Esta é a fase de acumulação de calor – de um grande volume com baixa temperatura, uma transição para um pequeno volume com alta temperatura.
- O gás aquecido por pressão entra no condensador, no qual o calor é transferido para o refrigerante do sistema de aquecimento.
- Após o resfriamento, o freon entra no acelerador (também conhecido como regulador de fluxo ou válvula termostática). Nele, a pressão cai, o freon se condensa e retorna ao evaporador na forma de um líquido.
Onde é melhor “tirar” o calor
Basicamente, existem três mídias das quais você pode “tirar” o calor:
1. Ar. Na pressão normal, todos os tipos de freons fervem em temperaturas negativas (por exemplo, R22 – cerca de -25 ° C, R404 e R502 – cerca de -30 ° C). Mas para circulação no sistema, é necessário criar excesso de pressão já na primeira fase – evaporação. As mesmas 4 atmosferas no evaporador requerem que a temperatura do ar externo seja de pelo menos 0 ° C para R22 e -5 ° C para R404 e R502. Nas nossas regiões, este tipo de bomba de calor pode ser utilizada para aquecimento na baixa temporada e para abastecimento de água quente na estação quente..
2. Água. Esta é uma fonte de calor mais estável, desde que o reservatório não congele até o fundo no inverno. Mas a casa não deve ser apenas próxima a um lago ou rio, mas na primeira linha.
3. Terra. A fonte mais estável de energia térmica. Você pode usar dois esquemas – horizontal e vertical. Horizontal parece mais fácil porque não requer perfuração. Mas uma grande quantidade de terraplenagem terá que ser feita para cavar um sistema de trincheiras a uma profundidade abaixo do nível de congelamento do solo (para latitudes médias varia de 1 metro no oeste da parte europeia do país e até 1,6-1,8 mais perto dos Urais, na Sibéria a situação é “ainda pior “O esquema vertical é mais versátil e eficiente, mas requer perfuração a uma profundidade considerável. Embora vários poços rasos possam ser usados em vez de um profundo..
Diagrama esquemático
O circuito da bomba de calor em si é simples: evaporador – compressor – condensador – choke – evaporador.
O coração do circuito é o compressor. Você pode comprar um novo, mas é mais barato encontrar um usado. Naturalmente, não estamos falando de compressores de baixa potência para refrigeradores domésticos, mas de modelos instalados em sistemas split. É necessário focar não no consumo de energia, mas na energia no modo de aquecimento (que é maior do que no modo de resfriamento em 5-20%).
O modelo do compressor é escolhido de acordo com a relação de 1 kW por 10 sq. metros de área aquecida.
Atenção! A potência pode ser indicada não apenas em kW, mas também em BTU (unidade inglesa de medida de energia térmica adotada para tecnologia climática). A conversão é fácil – divida o valor BTU por 3,4.
Ao calcular os parâmetros de uma bomba de calor, incluindo trocadores de calor, o software é usado para modelar, calcular e otimizar sistemas de resfriamento, por exemplo, CoolPack
Já na fase de cálculos (ou melhor, ao especificar o “input”), pode-se otimizar o sistema escolhendo as condições térmicas ideais.
O uso de uma bomba de calor é eficaz para sistemas de aquecimento de baixa temperatura, por exemplo, para piso radiante com uma temperatura não superior a 35–40 ° C. A propósito, a mesma temperatura é recomendada para requisitos médicos para o sistema DHW.
Para cada tipo de freon existem temperaturas ótimas de “entrada” e “saída”, mais precisamente, ebulição e condensação, mas a diferença em todas elas não é mais do que 45-50 ° C.
Parece que um aumento da temperatura na saída da bomba de calor terá um efeito positivo, mas não é assim. A diferença de temperatura também aumentará, o que levará a uma diminuição no COP (fator de conversão ou eficiência de um motor térmico). Além disso, isso exigirá o uso de um compressor mais potente e consumo adicional de energia..
O COP ideal não pode ser alcançado (perdas no compressor, consumo de energia, perdas de calor durante o transporte dentro do sistema, etc.), então os valores reais geralmente ficam na faixa de 3 a 5.
Existe outra maneira de aumentar a eficiência – o uso de um circuito de aquecimento bivalente.
Na realidade, a operação do sistema de aquecimento em capacidade total é necessária apenas para 15-20% de toda a temporada. Durante esse tempo, você pode usar dispositivos de aquecimento adicionais (por exemplo, um aquecedor ou convetor de cerâmica). Reduzir a potência térmica do projeto em até 80% economizará no compressor, reduzirá a profundidade do poço ou o comprimento dos tubos horizontais e reduzirá o consumo de energia para manutenção da própria bomba de calor.
O projeto do trocador de calor de solo horizontal ou vertical depende da potência nominal fornecida da bomba de calor e COP. Em média, 20 W são removidos de cada metro do “horizonte” (com um passo de colocação de tubos de pelo menos 0,7 m), e da “vertical” – 50 W. Mas os valores específicos dependem do tipo de rocha e de seu teor de umidade. Os melhores valores para águas subterrâneas.
Interessante! Existem também outros trocadores de calor no solo – “espiral” ou “cesta”. Na verdade, é uma sonda vertical feita de um tubo em forma de espiral, que permite reduzir a profundidade de perfuração..
Após determinar o comprimento do circuito horizontal ou a profundidade da sonda vertical, calcule as dimensões do evaporador e condensador..
Fabricação de evaporadores e condensadores
É possível comprar trocadores de calor prontos para o evaporador (baixa pressão) e para o condensador (com pressão de até 25 bar). Mas é mais barato fabricá-los a partir de um tubo de cobre para condicionadores de ar (que é projetado especificamente para trabalhar com refrigerantes em alta pressão) e recipientes improvisados.
Importante! A tubulação de cobre do encanamento não é tão limpa e flexível. É pior soldar e enrolar durante a instalação.
A área de superfície do trocador de calor é calculada, que é diretamente proporcional à potência de liberação de calor e inversamente proporcional à diferença de temperatura entre os portadores de calor na entrada e na saída de cada circuito conectado (terra e sistema de aquecimento).
Conhecendo o diâmetro do tubo e a área de superfície, determine o comprimento de cada bobina para o evaporador e condensador.
É melhor fazer um recipiente para um capacitor de aço inoxidável (a temperatura do vapor de freon pode ser bastante alta):
- pegue um tanque pré-fabricado de capacidade adequada (de modo que se encaixe uma espiral de um tubo de cobre);
- coloque uma bobina nele (entrada por cima, saída por baixo);
- retirar as pontas do tubo de cobre para ligação ao compressor e válvula de expansão (por soldadura ou flange);
- fazer uma ligação de adaptadores no tanque para conectar os tubos do sistema de aquecimento;
- soldar a tampa.
O evaporador opera em temperaturas mais baixas, então você pode pegar um recipiente de plástico mais barato para ele, no qual os adaptadores são cortados para conectar ao loop de aterramento. Também difere do condensador na localização da bobina do trocador de calor – entrada (fase líquida do freon da válvula de expansão) por baixo, saída para o compressor por cima.
Instalação do circuito
Após a fabricação dos trocadores de calor, o circuito gás-hidráulico é montado:
- o compressor, condensador e evaporador estão instalados no local;
- tubos de cobre são soldados ou conectados a um flange;
- conecte o evaporador à bomba do circuito de aterramento;
- conecte o condensador ao sistema de aquecimento.
1 – bomba de circulação do circuito de solo; 2 – evaporador; 3 – saída do contorno do solo; 4 – válvula termostática; 5 – compressor; 6 – para o sistema de aquecimento; 7 – capacitor; 8 – retorno do sistema de aquecimento
O circuito elétrico (compressor, bomba de circuito de aterramento, automação de emergência) deve ser conectado por meio de um circuito dedicado, que deve suportar correntes de partida bastante altas.
É imprescindível o uso de um disjuntor, bem como um desligamento de emergência de um interruptor de temperatura: na saída de água do condensador (com superaquecimento) e na saída de salmoura do evaporador (com resfriamento).
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