Bombas de calor
As bombas de calor são cada vez mais utilizadas para aquecer edifícios e preparar água quente sanitária. Como o nome sugere, esses dispositivos "bombeiam calor", o que significa retirar calor de um meio com uma temperatura mais baixa (por exemplo, ar externo, solo ou água) e transferi-lo para um meio cuja temperatura é mais alta (por exemplo, ar em uma sala ou água em uma instalação). )
Cada um de nós conhece essa tecnologia em sua própria casa, porque os refrigeradores domésticos operam de acordo com o mesmo princípio. Eles extraem calor do ar dentro da geladeira (que é frio) e transferem o calor para o ar ambiente.
É claro que na natureza não há fenômeno espontâneo de transferência de calor de um meio mais frio para um mais quente. O transporte de calor por uma bomba de calor, portanto, requer energia. Via de regra, é uma corrente elétrica que aciona o compressor.
Embora sejam um transportador de energia caro, as bombas de calor são muito baratas de operar, porque esses dispositivos, consumindo 1 kWh de eletricidade, fornecem 3-4 kWh de energia térmica para a instalação. A diferença de 2-3 kWh é o calor retirado dos arredores do edifício. Desta forma, 1 kWh de energia para aquecer a casa é 3-4 vezes mais barato do que usar eletricidade diretamente, por exemplo, para alimentar aquecedores elétricos.
Após a conversão, verifica-se que a energia fornecida à instalação pela bomba de calor é mais barata do que o calor produzido por uma caldeira de condensação a gás natural. Porém, como sempre, para economizar é preciso investir primeiro. Para bombas de calor, esse investimento é bastante caro.
Eficiência das bombas de calor
Os dados técnicos das bombas de calor fornecem a sua eficiência na forma do índice COP. É o quociente entre a quantidade de calor transferida para a instalação e a quantidade de eletricidade consumida pelo compressor.
Na prática, dividimos a soma da quantidade de energia retirada do ambiente (ar, água ou solo) e a potência do compressor pela potência do compressor. Por exemplo, se a bomba de calor retira 6 kW de energia do solo e a potência do compressor é 2 kW, então o COP é (6 + 2) / 2 = 4.
O COP não é constante; varia de acordo com a temperatura da salmoura e a temperatura necessária no sistema de aquecimento. Dependendo da temperatura e do tipo de fonte de calor, o COP pode variar de um pouco mais de 2, até 5,5 ou mais.
Os valores COP fornecidos pressupõem uma instalação de piso em toda a casa, na qual a temperatura máxima da água no inverno não excederá 35 ° C. Quando instalado com radiadores, a eficiência cairá até 1-1,5. Com base nisso, pode-se dizer que a melhor solução é usar o piso radiante em toda a casa. O investimento não será muito mais caro do que usar aquecedores. Deve-se levar em consideração que a bomba de calor exigiria radiadores muito maiores, que seriam capazes de aquecer a casa a uma temperatura de água de 55 ° C ou inferior.
A eficiência de toda a instalação será elevada apenas com a seleção cuidadosa da própria bomba de calor, bem como da fonte de calor e da instalação de aquecimento.
Não parece razoável comprar uma bomba de calor, fazer, por exemplo, sondas geotérmicas e usar aquecedores em casa que requerem aquecimento da água a 55 ° C no inverno. Ao usar uma instalação um pouco mais barata com radiadores em vez da instalação sob o piso, reduzimos significativamente a eficiência das instalações de aquecimento com bomba de calor.
Bombas de calor e ecologia
Há uma discussão em torno das bombas de calor sobre seu impacto no meio ambiente. Por um lado, são dispositivos que permitem o uso de energia renovável em grande medida. Por outro lado, 25% da energia convencional usada para movê-los é eletricidade.
Na Polônia, ele é produzido principalmente em usinas termelétricas a carvão, com uma eficiência de não mais do que 25-30% após levar em consideração as perdas na transmissão. O uso de bombas de calor aumenta, portanto, o consumo de eletricidade, cuja produção é um pesado fardo ambiental.
A situação é simples em países onde a eletricidade é gerada em grande parte por energias renováveis. Ao utilizar bombas de calor aí, utilizamos energia verde e, ao mesmo tempo, obtemos calor das imediações da casa.
Na Polónia, o uso de bombas de calor pode ser tratado como uma melhoria na eficiência do sistema de energia. Se a indústria de energia usa apenas 25% da energia contida no combustível, e na bomba, ao consumir 1 kWh de eletricidade, podemos fornecer cerca de 4 kWh de energia térmica para a instalação, é como usar 100% da energia contida no combustível.
Certamente, o uso de bombas de calor deixará de ser polêmico quando for possível produzir (e vender) eletricidade em sua própria casa, por exemplo, usando turbinas eólicas ou células fotovoltaicas. Graças a eles, parte da energia do acionamento do compressor será produzida de forma ecológica.
Devido a essas controvérsias, foi apenas em 2009 que as bombas de calor foram listadas entre os dispositivos que usam energia renovável na diretiva da UE. Conhecendo o princípio de funcionamento das bombas de calor, não devemos pensar na sua classificação, mas sim em como tornar a produção de eletricidade mais eficiente e amiga do ambiente.
Tipos de bombas e fontes de calor mais baixas
Em termos de custos de investimento, depende muito do tipo de bomba de calor. Atualmente, contamos com um grande número de soluções no mercado. As bombas de calor são principalmente divididas dependendo do tipo de fonte de calor com a qual cooperam. Os três tipos mais importantes são dispositivos que usam o calor acumulado no solo, na água e no ar.
BOMBAS DE CALOR DO TIPO ÁGUA DE SALMOURA. São dispositivos que retiram energia do solo. Para isso, são colocados tubos de polietileno no solo por onde circula o líquido anticongelante. O material do tubo capta o calor do solo e o transfere para o fluido. A bomba de calor então resfria a solução de glicol em 2-4 ° C e transfere o calor para o sistema. Por mais abstrato que possa parecer, no inverno a bomba de calor extrai energia do solo, que geralmente é igual ou inferior a 0 ° C, e a transfere para a água do sistema, que pode chegar a 55-60 ° C (por exemplo, ao carregar um tanque de armazenamento de água quente). água).
A instalação para obtenção de calor do solo localizado fora do prédio é chamada de fonte inferior de calor. Isso pode ser feito de várias maneiras; as mais populares são as sondas geotérmicas verticais e um coletor plano sinuoso.
Sondas verticais. Nos poços com cerca de 100 m de comprimento, é colocado um tubo de polietileno em forma de U. Para a construção que estamos considerando, seria necessário fazer 1 ou 2 furos (dependendo da variante da casa e do tipo de solo). A vantagem deste tipo de fonte mais baixa é a possibilidade de fazer a instalação ainda em terreno com pequena área. A desvantagem das sondas geotérmicas verticais é seu custo considerável; o preço médio de um poço de 1 metro é de 100-120, então nossos poços podem custar de 10.000 a 24.000 no total
. É uma solução popular e ligeiramente mais barata que não requer perfuração profunda. Os tubos são colocados na parcela horizontalmente, em uma profundidade rasa. A desvantagem de um coletor de placa plana é, infelizmente, a necessidade de fazer algum espaço. A área necessária depende da potência da bomba e do tipo de solo; em solos secos é até 2-3 vezes maior do que em solos coesos úmidos. Assumindo as condições médias do nosso edifício, precisaremos de 200 a 400 m2 de espaço para um coletor plano. No entanto, o custo de tal instalação pode ser quase 2 vezes menor do que com poços verticais.
BOMBAS DE CALOR ÁGUA-ÁGUA. É uma solução menos popular em que o calor não é coletado do solo, mas da água subterrânea. Na maioria das vezes, para esse fim, são feitos dois poços - entrada e absorção (descarga). Quando a bomba de calor está funcionando, a bomba submersível inicia e fornece água de um poço de extração. A bomba de calor o resfria cerca de 2 a 4 ° C, após o que é descarregado no poço de absorção.
Teoricamente, essa solução apresenta grandes vantagens. Primeiro, a temperatura média de entrada de água é superior à temperatura do solo (8-10 ° C em vez de 0-5 ° C). Essa diferença aparentemente pequena aumenta a eficiência da bomba de calor de cerca de 3-4 para 5-5,5, de modo que os custos operacionais da instalação diminuem. Além disso, a construção de um poço de admissão e absorção costuma ser uma solução barata, comparável ao custo de fazer um coletor plano. Isso, é claro, depende das condições hidrogeológicas da parcela.
A principal desvantagem de usar águas subterrâneas como fonte de calor é o risco de degradação ou bloqueio do desempenho ao longo do tempo.
Em muitas regiões da Polônia, a composição química da água faz com que, após um ano ou mesmo vários meses de operação, o poço de descarga perca sua eficiência. As paredes do poço ficam cobertas de vegetação e não é possível receber água gelada regularmente. O resultado é a falta de fluxo de água e o desligamento de emergência da bomba ou o aparecimento de uma nascente em nosso terreno, quando o poço de descarga não consegue absorver água.
Por este motivo, antes de instalar tal instalação, é necessário realizar testes de propriedades da água para avaliar o risco de contaminação da instalação.
Também vale a pena verificar se existem instalações semelhantes na área e se o poço de descarga está coberto de vegetação. Devido a esse fenômeno, esse tipo de fonte de fundo não é popular na Polônia.
BOMBAS DE CALOR AR-ÁGUA . Como o nome sugere, o ar ao redor do prédio é usado como fonte de calor inferior (em alguns casos, também podemos usar o ar quente retirado do prédio).
Durante a operação da bomba de calor, um grande ventilador força o ar através do trocador de calor. Após o resfriamento, é retirado para o exterior. A maior vantagem desta solução é que não há necessidade de fazer sondas de aterramento, coletor plano ou poço de admissão e descarga. O custo do investimento é, portanto, menor.
No entanto, não se pode dizer que a economia seja igual aos custos da fonte subterrânea na forma de sondas ou poços, porque devido ao trocador de calor diferente, mais caro e maior, a bomba de calor ar-água custa mais do que os modelos de água salgada ou água-água. Afinal, se fôssemos usar essa bomba em nossa casa de "ciclo", os custos de investimento poderiam ser reduzidos de 5.000 a 10.000.
No entanto, deve-se levar em conta que a temperatura média da fonte de calor na forma de ar na estação de aquecimento é muito mais baixa do que a temperatura do solo ou das águas subterrâneas. Consequentemente, a eficiência da bomba de calor neste caso é inferior, apenas cerca de 2,8-3.
Embora alguns modelos possam obter calor até mesmo do ar com uma temperatura de -20 ou mesmo -25 ° C, geralmente a fim de fornecer a quantidade adequada de calor ao edifício durante este período, a bomba de calor deve ser suportada por um aquecedor elétrico, o que obviamente reduz a eficiência anual da instalação. .
No entanto, as bombas de calor ar-água estão se tornando cada vez mais populares. Curiosamente, essa solução é muito popular na Suécia e na Noruega, ou seja, em países com clima adverso. Na Polónia, as bombas de calor ar / água são frequentemente utilizadas como fonte de apoio a uma instalação clássica, por exemplo com uma caldeira a gás. Em tal sistema, a bomba de calor funciona quando seus custos operacionais são menores do que uma fonte de calor convencional. Desta forma, os custos operacionais anuais da instalação podem ser reduzidos, e a diferença pode ser significativa, pois a redução do consumo de gás pode alterar a tarifa pela qual somos faturados. Graças a isso, os próprios custos fixos diminuirão vários centésimos por ano.
Seleção de bombas de calor para variantes individuais da casa
A seleção adequada da potência da bomba de calor e possível fonte auxiliar deve garantir o aquecimento do edifício e a preparação de água quente durante a estação de aquecimento, bem como manter os parâmetros apropriados da fonte de calor inferior.
Por exemplo, do ponto de vista dos custos de investimento, seria possível utilizar uma bomba de calor com uma capacidade cerca de 20% inferior às perdas de calor calculadas. Isso significa que durante geadas severas, a bomba de calor será suportada por uma fonte de calor convencional (por exemplo, um aquecedor elétrico).
Teoricamente, desta forma economizamos ao comprar uma bomba de calor e ao fabricar uma fonte de calor. Porém, os custos operacionais da instalação serão um pouco maiores devido à necessidade de uso periódico da resistência elétrica.
Também deve ser lembrado que uma bomba de calor com uma potência inferior à demanda de calor do edifício terá que funcionar por muito tempo. Se exceder 2.200-2400 horas por ano, podemos esperar que a temperatura da salmoura caia de ano para ano.
O mesmo acontecerá com a eficiência da bomba de calor. Portanto, ao buscar economias na fase de construção de uma casa, poderíamos realmente usar uma bomba de calor com uma potência um pouco menor, mas a fonte de calor mais baixa deveria ser superdimensionada. Graças a isso, a temperatura da salmoura não cairá rapidamente.
Para evitar uma seleção incorreta, some a potência necessária para aquecer o edifício com a potência necessária para preparar a água quente. 0,25 kW / pessoa para baixo consumo de água quente, 0,5 kW / pessoa para maior consumo. Além disso, no final, vale a pena dividir a demanda total de energia para aquecimento do edifício e preparação de água quente pela potência da bomba de calor para determinar seu tempo de funcionamento anual. Não deve exceder 2.000-2200 horas por ano.
Selecionaremos bombas de calor para que forneçam a quantidade certa de energia para aquecimento e água quente. Dependerá da variante da casa.
VARIANTE I. Para uma casa "padrão" com perda de calor de 9,9 kW, adicionamos a potência necessária para preparar água quente 4 × 0,25 kW, ou seja, 1 kW; no total, será de 10,9 kW. Uma bomba de calor com capacidade de 11-12 kW seria ideal aqui. Devido ao fato de que a maioria dos fabricantes tem bombas de calor com uma potência de cerca de 10 kW e, em seguida, imediatamente 14 kW, assumimos, em última análise, uma potência de 10,5 kW.
Os custos de aquisição e montagem da instalação são os seguintes: bomba de calor 10,5 kW - 38.500; fonte inferior (cerca de 200 m de furos) - cerca de 20.000-24.000; mão de obra e pequenos outros equipamentos - 3000-5000.
No total, serão de: 61.500 a 67.500
VARIANTE II. Em uma casa bem isolada, a demanda de calor para aquecimento do prédio é de cerca de 6,5 kW; com uma provisão para o preparo de água quente, precisaremos de uma potência de 7,5-8 kW. Usaremos um modelo com potência de cerca de 8 kW.
Os custos do investimento incluem: bomba de calor com tanque de água quente embutido - 36.800; fonte inferior (aprox. 150 m de furos) - 15.000-18.000; mão de obra e pequenos outros equipamentos - 3000-5000.
No total, serão: 54.800-61.800
VARIANTE III. Para uma casa bem isolada com ventilação mecânica, os custos totais de investimento são os seguintes: a menor bomba de calor disponível com uma potência de aproximadamente 5,9 kW - 34.400; fonte inferior (cerca de 100 m de furos) - 10.000-12.000; mão de obra e pequenos outros equipamentos - 3000-5000.
No total, serão: 47 400-51 400.
Na tabela (ver) comparamos os custos operacionais da bomba de calor para variantes individuais da nossa casa com os custos operacionais da caldeira de condensação, de que tratamos na edição de agosto; eles variaram de 2.375 a 5.434.
Isso mostra que os custos operacionais das bombas de calor são muito mais baixos, mas muitas pessoas estão assustadas com os altos custos de investimento dessa solução. Nem é preciso dizer que, ao comparar bombas com caldeiras, o tempo de retorno da diferença nos custos de investimento é bastante longo. Por estes motivos, em regiões equipadas com gás natural, parece mais racional usar uma caldeira em vez de uma bomba de calor.
Porém, com transportadores de energia caros, como GLP ou óleo para aquecimento, vale a pena substituir as caldeiras por uma bomba de calor. Os custos operacionais da instalação serão várias vezes mais baixos.
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