Neste artigo: A história da bomba de calor como funciona e funciona a bomba de calor; tipos de bombas de calor; energia térmica do ar, água e solo; no final – os prós e contras das bombas de calor.
Para vencer o frio invernal, os proprietários procuram energia e caldeiras de aquecimento adequadas, com inveja dos afortunados, cujas casas estão ligadas a comunicações que fornecem gás natural. Todo inverno, milhares de toneladas de madeira, carvão, derivados de petróleo são queimados nas fornalhas, megawatts de eletricidade são consumidos por quantias astronômicas que aumentam a cada ano, e parece que simplesmente não há outra saída. Enquanto isso, uma fonte constante de energia térmica está sempre localizada perto de nossas casas, no entanto, é bastante difícil para a população da Terra notá-la nesta capacidade. Mas e se usarmos o calor de nosso planeta para aquecer casas? E há um dispositivo adequado para isso – uma bomba de calor de fonte subterrânea.
História da bomba de calor
A fundamentação teórica do funcionamento de tais dispositivos em 1824 foi fornecida pelo físico francês Sadi Carnot, que publicou seu único trabalho sobre motores a vapor, que descreveu o ciclo termodinâmico, que foi matematicamente e graficamente confirmado 10 anos depois pelo físico Benoit Cliperon e chamou de “ciclo de Carnot”.
O primeiro modelo de laboratório de uma bomba de calor foi criado pelo físico inglês William Thomson, Lord Kelvin em 1852, durante seus experimentos em termodinâmica. A propósito, a bomba de calor recebeu o nome de Lord Kelvin.
William Thomson, Barão Kelvin
O modelo de bomba de calor industrial foi construído em 1856 pelo engenheiro de mineração austríaco Peter von Rittinger, que usou este dispositivo para evaporar salmoura e drenar pântanos salgados para extrair sal seco.
Peter Ritter von Rittinger
No entanto, a bomba de calor deve seu uso no aquecimento de casas ao inventor americano Robert Webber, que fez experiências com um freezer no final dos anos 40 do século passado. Robert percebeu que o cano que saía do freezer estava quente e decidiu usar este calor para as necessidades domésticas alongando o cano e passando-o pela caldeira com água. A ideia do inventor acabou dando certo – a partir daquele momento, as residências passaram a ter água quente em abundância, enquanto parte do calor era gasta a esmo, saindo da atmosfera. Webber não aceitou e acrescentou uma bobina na saída do freezer, ao lado da qual colocou um ventilador, resultando em uma instalação para aquecimento de ar da casa. Depois de algum tempo, o inventivo americano descobriu que era possível extrair literalmente o calor do solo sob seus pés e enterrou um sistema de tubos de cobre com freon circulando por eles até uma certa profundidade. O gás acumulava calor no solo, entregava-o à casa e doava-o, e então voltava para o coletor de calor subterrâneo. A bomba de calor criada por Webber revelou-se tão eficaz que transferiu totalmente o aquecimento da casa para esta instalação, abandonando os tradicionais aquecedores e fontes de energia..
A bomba de calor, inventada por Robert Webber, por muitos anos foi considerada mais um absurdo do que uma fonte verdadeiramente eficiente de energia térmica – a energia do petróleo era abundante, a preços bastante razoáveis. O interesse por fontes renováveis de calor cresceu no início dos anos 70, graças ao embargo do petróleo de 1973, durante o qual os países do Golfo se recusaram unanimemente a fornecer petróleo aos Estados Unidos e à Europa. A escassez de produtos petrolíferos causou uma forte alta nos preços da energia – uma necessidade urgente de sair da situação. Apesar do subsequente levantamento do embargo em 1975 e do restabelecimento do abastecimento de petróleo, os fabricantes europeus e americanos têm vindo a enfrentar o desenvolvimento dos seus próprios modelos de bombas de calor geotérmicas, cuja procura estabelecida só tem vindo a crescer desde então..
Projeto e princípio de funcionamento da bomba de calor
À medida que afundamos na crosta terrestre, em cuja superfície vivemos e cuja espessura na terra é de cerca de 50-80 km, sua temperatura aumenta – isso se deve à proximidade da camada superior de magma, cuja temperatura é de aproximadamente 1300 ° C. A uma profundidade de 3 metros ou mais, a temperatura do solo é positiva em qualquer época do ano; a cada quilômetro de profundidade, aumenta em média 3–10 ° C. O aumento da temperatura do solo com a sua profundidade depende não apenas da zona climática, mas também da geologia do solo, bem como da atividade endógena em uma determinada região da Terra. Por exemplo, no sul do continente africano, o aumento da temperatura por quilômetro de profundidade do solo é de 8 ° С, e no estado de Oregon (EUA), em cujo território se observa uma atividade endógena bastante elevada – 150 ° С por quilômetro de profundidade. No entanto, para o funcionamento eficiente da bomba de calor, o circuito externo que fornece calor não precisa ser enterrado centenas de metros abaixo do solo – qualquer meio com uma temperatura superior a 0 ° C pode ser uma fonte de energia térmica..
A bomba de calor transfere energia térmica do ar, água ou solo, aumentando a temperatura durante a transferência para a temperatura necessária devido à compressão (compressão) do refrigerante. Existem dois tipos principais de bombas de calor – compressão e sorção.
Estrutura básica de uma bomba de calor de compressão: 1 – solo; 2 – circulação de salmoura; 3 – bomba de circulação; 4 – evaporador; 5 – compressor; 6 – capacitor; 7 – sistema de aquecimento; 8 – refrigerante; 9 – estrangulamento
Apesar do nome confuso, as bombas de calor de compressão não são dispositivos de aquecimento, mas sim de refrigeração, visto que funcionam no mesmo princípio que qualquer frigorífico ou ar condicionado. A diferença entre uma bomba de calor e unidades de refrigeração bem conhecidas por nós é que, via de regra, são necessários dois circuitos para o seu funcionamento – um interno, onde circula o refrigerante, e outro externo, com circulação do refrigerante..
Durante a operação deste dispositivo, o refrigerante no circuito interno passa pelas seguintes etapas:
- o refrigerante resfriado no estado líquido entra no evaporador através da abertura capilar. Sob a influência de uma rápida diminuição da pressão, o refrigerante evapora e se transforma em um estado gasoso. Movendo-se ao longo dos tubos curvos do evaporador e entrando em contato durante o movimento com um portador de calor gasoso ou líquido, o refrigerante recebe dele energia térmica de baixa temperatura, após a qual entra no compressor;
- na câmara do compressor, o refrigerante é comprimido, enquanto sua pressão aumenta drasticamente, o que causa um aumento na temperatura do refrigerante;
- Do compressor, o refrigerante quente segue o circuito para a serpentina do condensador, que atua como um trocador de calor – aqui o refrigerante libera calor (cerca de 80-130 ° C) para o refrigerante que circula no circuito de aquecimento da casa. Tendo perdido a maior parte da energia térmica, o refrigerante retorna ao estado líquido;
- ao passar pela válvula de expansão (capilar) – está localizada no circuito interno da bomba de calor, seguindo o trocador de calor – a pressão residual no refrigerante diminui, após o que ele entra no evaporador. A partir deste momento, o ciclo de trabalho se repete novamente.
Princípio de funcionamento da bomba de calor de ar
Assim, a estrutura interna de uma bomba de calor é constituída por um capilar (válvula de expansão), um evaporador, um compressor e um condensador. O funcionamento do compressor é controlado por um termostato eletrônico, que corta o fornecimento de energia ao compressor e, assim, interrompe o processo de geração de calor quando a temperatura do ar da casa definida é atingida. Quando a temperatura cai abaixo de um determinado nível, o termostato liga automaticamente o compressor.
Freons R-134a ou R-600a circulam como refrigerante no circuito interno da bomba de calor – o primeiro é baseado em tetrafluoroetano, o segundo é baseado em isobutano. Ambos os refrigerantes são seguros para a camada de ozônio da Terra e são ecologicamente corretos. As bombas de calor de compressão podem ser acionadas por um motor elétrico ou um motor de combustão interna.
As bombas de calor de sorção usam absorção – um processo físico-químico durante o qual um gás ou líquido aumenta de volume devido a outro líquido sob a influência da temperatura e pressão.
Diagrama esquemático de uma bomba de calor de absorção: 1 – água aquecida; 2 – água resfriada; 3 – vapor de aquecimento; 4 – água aquecida; 5 – evaporador; 6 – gerador; 7 – capacitor; 8 – gases não condensáveis; 9 – bomba de vácuo; 10 – condensado de vapor de aquecimento; 11 – trocador de calor de solução; 12 – separador de gás; 13 – absorvedor; 14 – bomba de argamassa; 15 – bomba de refrigerante
As bombas de calor de absorção estão equipadas com compressor térmico a gás natural. Em seu circuito existe um refrigerante (geralmente amônia), que evapora em baixa temperatura e pressão, enquanto absorve energia térmica do ambiente ao redor do circuito de circulação. No estado de vapor, o refrigerante entra no trocador de calor-absorvedor, onde, na presença de um solvente (geralmente água), é absorvido e o calor é transferido para o solvente. O solvente é fornecido por um termossifão que circula através da diferença de pressão entre o refrigerante e o solvente, ou uma bomba de baixa energia em instalações de alta capacidade.
Como resultado da combinação do refrigerante e do solvente, cujos pontos de ebulição são diferentes, o calor fornecido pelo refrigerante faz com que ambos evaporem. O refrigerante no estado de vapor, com alta temperatura e pressão, entra no condensador pelo circuito, passa ao estado líquido e libera calor para o trocador de calor da rede de aquecimento. Após passar pela válvula de expansão, o refrigerante retorna ao seu estado termodinâmico original, da mesma forma que o solvente retorna ao seu estado original.
As vantagens das bombas de calor de absorção são a capacidade de operar a partir de qualquer fonte de energia térmica e a ausência completa de elementos móveis, ou seja, ausência de ruído. Desvantagens – menor potência, em relação às unidades de compressão, alto custo, devido à complexidade do projeto e à necessidade de utilização de materiais resistentes à corrosão e de difícil processamento.
Unidade de bomba de calor de absorção
As bombas de calor de adsorção usam materiais sólidos como gel de sílica, carvão ativado ou zeólito. Durante a primeira etapa de operação, chamada de fase de dessorção, a energia térmica é fornecida à câmara do trocador de calor, que é revestida por dentro com um sorvente, proveniente de um queimador de gás, por exemplo. O aquecimento provoca a vaporização do refrigerante (água), o vapor resultante é enviado ao segundo trocador de calor, que na primeira fase libera o calor obtido durante a condensação do vapor para o sistema de aquecimento. A secagem completa do sorvente e a conclusão da condensação da água no segundo trocador de calor completam o primeiro estágio de trabalho – o fornecimento de energia térmica para a câmara do primeiro trocador de calor é interrompido. No segundo estágio, o trocador de calor de água condensada torna-se um evaporador, fornecendo energia térmica do ambiente externo para o refrigerante. Como resultado da razão de pressão atingir 0,6 kPa, ao entrar em contato com o calor do ambiente externo, o refrigerante evapora – o vapor de água entra no primeiro trocador de calor, onde é adsorvido no sorvente. O calor que o vapor emite durante o processo de adsorção é transferido para o sistema de aquecimento, após o qual o ciclo é repetido. Deve-se notar que as bombas de calor de adsorção não são adequadas para uso doméstico – destinam-se apenas a grandes edifícios (a partir de 400 m2), modelos menos poderosos ainda estão em desenvolvimento.
Tipos de coletores de calor para bombas de calor
As fontes de energia térmica para bombas de calor podem ser diferentes – geotérmica (tipo fechada e aberta), ar, usando calor secundário. Vamos considerar cada uma dessas fontes com mais detalhes..
As bombas de calor de origem subterrânea consomem energia térmica do solo ou das águas subterrâneas e são divididas em dois tipos – fechada e aberta. As fontes de calor fechadas são subdivididas em:
- Horizontal, enquanto o coletor coletor de calor está localizado em anéis ou ziguezagues em trincheiras com profundidade de 1,3 metros ou mais (abaixo da profundidade de congelamento). Este método de colocar o circuito coletor de calor é eficaz para uma pequena área de terra.
Aquecimento geotérmico com coletor de calor horizontal
- Vertical, ou seja, o coletor do coletor de calor é colocado em poços verticais imersos no solo a uma profundidade de 200 m. Este método de colocação do coletor é utilizado nos casos em que não é possível estabelecer o contorno horizontalmente ou há uma ameaça de perturbar a paisagem.
Aquecimento geotérmico com coletor de calor vertical
- Água, enquanto o coletor do circuito está localizado em zigue-zague ou forma anular no fundo do reservatório, abaixo do nível de seu congelamento. Comparado à perfuração de poços, este método é o mais barato, mas depende da profundidade e do volume total de água do reservatório, dependendo da região..
Nas bombas de calor abertas, a água é utilizada para a troca de calor, que, após passar pela bomba de calor, é descarregada de volta para o solo. É possível usar este método somente se a água for quimicamente pura e se o uso de água subterrânea nesta função for permitido do ponto de vista da lei.
Aquecimento geotérmico de tipo aberto
Em circuitos de ar, respectivamente, o ar é usado como fonte de energia térmica.
Aquecimento por bomba de calor de fonte de ar
As fontes de calor secundárias (derivadas) são utilizadas, via de regra, em empresas cujo ciclo operacional está associado à produção de energia térmica de terceiros (parasita) que requer aproveitamento adicional.
Os primeiros modelos de bombas de calor eram totalmente semelhantes ao projeto descrito acima, inventado por Robert Webber – tubos de cobre do circuito, que agiam simultaneamente como externo e interno, com o refrigerante circulando neles, ficavam imersos no solo. O evaporador em tal projeto foi colocado no subsolo a uma profundidade que excede a profundidade de congelamento ou em poços angulares ou verticais perfurados em um ângulo (diâmetro de 40 a 60 mm) a uma profundidade de 15 a 30 m. O circuito de troca direta (recebeu este nome) permite que ele seja colocado em área pequena e quando usar tubos de pequeno diâmetro, dispensar trocador de calor intermediário. A troca direta não requer bombeamento forçado do refrigerante, uma vez que não há necessidade de bomba de circulação, então menos eletricidade é gasta. Além disso, uma bomba de calor com um circuito de troca direta pode ser usada efetivamente mesmo em baixas temperaturas – qualquer objeto emite calor se sua temperatura estiver acima do zero absoluto (-273,15 ° C), e o refrigerante pode evaporar em temperaturas abaixo de -40 ° C. Desvantagens deste circuito: grandes necessidades de refrigerante; alto custo de tubos de cobre; a conexão confiável de seções de cobre só é possível por soldagem, caso contrário, o vazamento de refrigerante não pode ser evitado; a necessidade de proteção catódica em solos ácidos.
A extração de calor do ar é mais adequada para climas quentes, pois em temperaturas abaixo de zero sua eficiência diminuirá drasticamente, o que exigirá fontes de aquecimento adicionais. A vantagem das bombas de calor a ar é que não há necessidade de perfurações caras, já que o circuito externo com evaporador e ventilador está localizado em uma área não muito longe da casa. A propósito, qualquer sistema de ar condicionado monobloco ou split é um representante de uma bomba de calor de ar de circuito único. O custo de uma bomba de calor de ar com capacidade de, por exemplo, 24 kW é de cerca de 163.000 rublos.
Bomba de calor de fonte de ar
A energia térmica do reservatório é extraída pela instalação de um circuito de tubos de plástico no fundo de um rio ou lago. A partir de 2 metros de profundidade, os tubos são pressionados até o fundo com uma carga de 5 kg por metro de comprimento. Cerca de 30 W de energia térmica são extraídos de cada metro em funcionamento de tal circuito, ou seja, uma bomba de calor de 10 kW precisará de um circuito com um comprimento total de 300 m. As vantagens desse circuito são o custo relativamente baixo e a facilidade de instalação, as desvantagens – em geadas severas, é impossível obter energia térmica.
Colocando o circuito da bomba de calor em um reservatório
Para extrair o calor do solo, um loop de tubo de PVC é colocado em uma cova, cavada a uma profundidade que excede a profundidade de congelamento em pelo menos meio metro. A distância entre os tubos deve ser de cerca de 1,5 m, o líquido refrigerante que circula neles é anticongelante (geralmente salmoura). O funcionamento efetivo do contorno do solo está diretamente relacionado ao teor de umidade do solo no ponto de sua colocação – se o solo for arenoso, ou seja, não conseguir reter água, então o comprimento do contorno deve ser aproximadamente dobrado. Uma bomba de calor pode extrair em média 30 a 60 W de energia térmica de um metro corrido do contorno do solo, dependendo da zona climática e do tipo de solo. Uma bomba de calor de 10 kW precisará de um circuito de 400 metros colocado em um terreno de 400 m22. O custo de uma bomba de calor com circuito de solo é de cerca de 500.000 rublos.
Colocando o contorno horizontal no solo
A recuperação do calor da rocha exigirá a colocação de poços com um diâmetro de 168 a 324 mm a uma profundidade de 100 metros, ou a execução de vários poços de profundidade menor. Um contorno é baixado em cada poço, consistindo de dois tubos de plástico conectados no ponto mais baixo por um tubo de metal em forma de U que age como um peso. O anticongelante circula pelas tubulações – solução apenas 30% de álcool etílico, pois em caso de vazamento não prejudica o meio ambiente. O poço com o contorno instalado acabará se enchendo de água subterrânea, que fornecerá calor ao refrigerante. Cada metro de tal poço dará cerca de 50 W de energia térmica, ou seja, para uma bomba de calor com potência de 10 kW, será necessário perfurar 170 m de um poço. Para obter mais energia térmica, não é lucrativo perfurar um poço mais profundo do que 200 m – é melhor fazer vários poços menores a uma distância de 15–20 m entre eles. Quanto maior o diâmetro do poço, mais raso ele precisa ser perfurado, enquanto, ao mesmo tempo, uma maior ingestão de energia térmica é alcançada – cerca de 600 W por metro em execução.
Instalação de uma sonda geotérmica
Comparado aos contornos colocados no solo ou em um reservatório, o contorno do poço ocupa um espaço mínimo no local, o próprio poço pode ser feito em qualquer tipo de solo, inclusive rocha. A transferência de calor do circuito do poço será estável em qualquer época do ano e em qualquer clima. No entanto, o retorno financeiro dessa bomba de calor levará várias décadas, já que sua instalação custará ao proprietário mais de um milhão de rublos..
No fim
A vantagem das bombas de calor é sua alta eficiência, já que essas unidades não consomem mais do que 350 watts de eletricidade por hora para obter um quilowatt de energia térmica por hora. Para efeito de comparação, a eficiência das usinas que geram eletricidade através da queima de combustível não ultrapassa 50%. O sistema de bomba de calor funciona em modo automático, os custos operacionais durante a sua utilização são extremamente baixos – apenas é necessária eletricidade para o funcionamento do compressor e das bombas. As dimensões gerais da instalação da bomba de calor são aproximadamente iguais às dimensões de um refrigerador doméstico, o nível de ruído durante a operação também coincide com o mesmo parâmetro de uma unidade de refrigeração doméstica.
Bomba de calor de salmoura para água
Uma bomba de calor pode ser usada tanto para obter energia térmica quanto para removê-la – alternando o funcionamento dos circuitos para resfriamento, enquanto a energia térmica das instalações da casa será removida através do circuito externo para o solo, água ou ar.
A única desvantagem de um sistema de aquecimento baseado em bomba de calor é seu alto custo. Na Europa, assim como nos EUA e no Japão, as instalações de bombas de calor são bastante comuns – na Suécia, são mais de meio milhão, e no Japão e nos EUA (especialmente no Oregon) – vários milhões. A popularidade das bombas de calor nesses países deve-se ao apoio de programas governamentais na forma de subsídios e compensação aos proprietários que instalaram essas instalações..
Não há dúvida de que em um futuro próximo as bombas de calor deixarão de ser algo estranho também na Rússia, dado o aumento anual dos preços do gás natural, que hoje é o único concorrente das bombas de calor em termos de custos financeiros para a obtenção de energia térmica..
Bomba de calor – para aquecimento, retiramos calor do planeta Terra
A bomba de calor representa um marco na eficiência energética, pois proporciona a usuários e empresas reduções de custos e acesso a energia limpa. Ela utiliza a energia térmica natural, presente no solo, para aquecer, refrescar, ventilar e umedecer num processo inteligente, que retira calor do planeta Terra. Devido aos seus sistemas eficientes, é uma das soluções econômicas mais ecológicas que existem no mercado.
Sistemas de engenharia Conteúdo material
Para que serve exatamente essa bomba de calor? Será que a retirada de calor do planeta Terra pode causar algum tipo de impacto negativo no futuro? Como essa tecnologia funciona e é sustentável?