Bomba de calor “água-água”: dispositivo, princípio de funcionamento, regras para instalação de aquecimento com base nela

Para aquecimento e fornecimento de água quente em residências particulares, é recomendável usar uma bomba de calor água-água que opera a partir de fontes naturais – águas subterrâneas, rios, corpos d'água, etc. O sistema se diferencia pela total segurança ecológica, não exige gastos regulares com materiais consumíveis, por isso se torna cada vez mais procurado.

Falaremos sobre as opções de instalação da bomba de calor que utiliza a eco-energia da água para transferi-la para sistemas domésticos de aquecimento. Para curiosos artesãos domésticos, descrevemos os princípios de funcionamento das opções populares e a tecnologia de construção. Aqui você aprenderá qual equipamento será necessário para o funcionamento do sistema.

Princípio de funcionamento da bomba de calor água-água

A bomba de calor incorpora o princípio do ciclo de Carnot. Ele consiste em que uma substância em movimento em um sistema fechado, que muda seu estado agregado de líquido para gasoso sob a influência de fatores químicos, físicos ou térmicos, libera e absorve uma enorme quantidade de energia térmica.

O fluido de trabalho é o transportador de calor – água de poço ou corpo d'água.

Mesmo no inverno, em fontes naturais a uma certa profundidade, a temperatura positiva é mantida, portanto, é possível extrair energia térmica delas durante todo o ano. A única desvantagem da instalação é o alto consumo de eletricidade e a necessidade de compra de equipamento adicional.

No esquema, está representada a trajetória de circulação da água e do refrigerante. O sistema permite obter energia térmica, independentemente da estação.

Elementos principais da bomba de calor água-água:

• compressor;
• evaporador;
• condensador;
• válvula de expansão indutiva;
• sistema automático que realiza o controle dos parâmetros;
• múltiplas tubulações de cobre;
• substância de trabalho (refrigerante).

Com a ajuda de uma bomba especial, a água flui através de tubos da fonte para a unidade térmica, depois interage com o gás (freon), que ferve a uma temperatura de +2-3 graus. O freon absorve parte do calor da água e é aspirado pelo compressor, onde durante a compressão sua temperatura aumenta.

O equipamento da bomba de calor ocupa bastante espaço, mas oferece a possibilidade de se libertar da dependência de serviços públicos.

Em seguida, o refrigerante entra no condensador, onde a substância quente aquece a água até a temperatura desejada (de +40 a +80 graus), que é transportada através dos tubos do sistema de aquecimento.

A água resfriada entra no evaporador, depois é descarregada no poço receptor. Após passar pelo condensador, o refrigerante torna-se líquido e acumula-se no fundo do elemento, em seguida, através da válvula de expansão, retorna ao local original. Então o ciclo se repete.

O que considerar ao instalar esse tipo de aquecimento?

Existe um grande número de diferentes modificações de bombas de calor, destinadas a ambientes de qualquer finalidade e tamanho, e também operando em diferentes condições. O equipamento destina-se a aquecer casas com área total de 50 a 150 metros quadrados.

Orientador nº1 – dureza da água

A qualidade da água do poço ou reservatório desempenha um papel importante na escolha do equipamento. Nem todos os modelos são capazes de operar com água dura contendo grandes quantidades de manganês e ferro.

A alta concentração desses elementos prejudica o sistema – forma-se corrosão mais rapidamente nos tubos, o que leva à redução da eficiência do equipamento e de sua vida útil.

Por isso, antes de comprar uma bomba de calor, coleta-se uma amostra de água e faz-se sua análise para verificar a presença desses e de outros microelementos – sulfeto de hidrogênio, amônia, cloro, etc. Normalmente, se a temperatura no lago ultrapassar +13 graus, é muito provável que a água contenha muitos íons de ferro e manganês.

Assim, a bomba de calor água-água é selecionada considerando a dureza da água. Existem sistemas cujos elementos são maximamente protegidos contra corrosão, mas eles custam mais caro.

Orientador nº2 – modo de operação

A bomba de calor pode ser usada como única fonte de calor ou interagir com outros sistemas. Portanto, antes de escolher o modelo, é importante determinar em qual modo o dispositivo irá operar.

Existem dois tipos de funcionamento do sistema:

• Monovalente. Os aparelhos possuem alta potência, adequados para aquecer a casa.
• Bivalente. Dispositivos menos eficientes, complementam o equipamento principal de aquecimento.

Para construir um sistema autônomo com a unidade principal de aquecimento água-água, é necessário o tipo monovalente.

Orientador nº3 – potência da bomba

A potência é um indicador importante na escolha de uma bomba de calor, pois dela depende a eficiência do sistema. Quanto maior a potência, maior o rendimento do equipamento, mas também maior o consumo de eletricidade.

A capacidade da bomba de calor água-água é selecionada com base nas necessidades reais

Ao escolher um dispositivo com potência insuficiente, a eficiência do sistema diminuirá se as perdas de calor da casa excederem a quantidade de energia fornecida pelo sistema. A bomba de calor pode funcionar 24 horas por dia, mas não terá efeito devido à diminuição da temperatura da água.

Quando as perdas de calor do edifício são menores que a transferência de calor do sistema, a bomba geralmente liga automaticamente por alguns minutos, aquece a água até a temperatura definida, transporta-a pelo sistema. Depois desliga até que a temperatura diminua alguns graus. Em seguida, o ciclo se repete.

Orientador nº4 – funcionalidade do modelo específico

As bombas de calor podem ter funções adicionais, sendo elas:

• Sistema de controle automático que permite ajustar o microclima do ambiente de acordo com a preferência. O controle geralmente é feito por meio de um controle remoto.
• Função de aquecimento de água para abastecimento de água quente.
• Invólucro com isolamento acústico.
• Possibilidade de conexão a outros sistemas de aquecimento, coletores solares, o que tornará o equipamento de aquecimento totalmente autônomo.

A duração de operação das bombas de calor água-água geralmente ultrapassa 30 anos.

Considera-se igualmente importante ao escolher o equipamento o custo de instalação e montagem.

Cálculo da potência necessária da bomba de calor

Antes de comprar o sistema, é importante elaborar um projeto e calcular a potência necessária do equipamento. A capacidade é calculada considerando as necessidades reais de energia térmica. São levados em conta os gastos de calor, as perdas de calor da casa e a presença ou ausência do circuito AQS.

Algoritmo de cálculo:

1. Calculamos a área total dos ambientes aquecidos.
2. Decidimos sobre a quantidade necessária de energia para aquecimento. O indicador ideal por 1 metro quadrado é 0,07 kW.
3. Para aquecer uma casa de N metros quadrados, será necessário N*0,07 kW.
4. Para AQS ao número obtido adicionam-se adicionalmente 15-20%, ou seja, N*0,07*0,85 ou N*0,07*0,80.

Este cálculo será ideal para ambientes com tetos que não excedam 2,7 m de altura. Cálculos mais precisos serão feitos por especialistas durante a elaboração do projeto.

Trabalhos preparatórios antes da operação

A preparação para montagem, conexão e comissionamento da bomba de calor da série água-água inclui uma série de etapas padrão, que conheceremos a seguir.

Escolha da fonte de água ideal

Deve-se notar que nem toda fonte aberta ou poço de água é adequado para o funcionamento ininterrupto da bomba de calor. A qualidade da água desempenha um papel importante, mas os filtros podem ajudar a resolver o problema da poluição.

É permitido usar um reservatório ou lago localizado em um raio de 100 metros da construção. Se não houver tal fonte, surge a necessidade de perfuração de poços.

A escolha da fonte para a bomba de calor deve focar na simplicidade e no custo de uso. No caso de um reservatório aberto próximo, é mais sensato utilizá-lo.

O comportamento de uma fonte aberta é mais previsível do que o das águas subterrâneas, portanto, quando possível, é melhor dar preferência aos reservatórios.

Instalação do sistema térmico usando poço

Para instalar um sistema com bomba de calor, serão necessários dois poços. Um dos poços é chamado de poço de produção. Neste, é mergulhada uma bomba especial que retira a água para posterior processamento no sistema. O segundo poço é o poço de recepção. A água resfriada é descarregada nele.

Os poços de descarga e de alimentação devem estar distanciados entre si pelo menos 15 metros

A profundidade do poço de produção não deve exceder 50 metros. Quanto mais profunda for a fonte de água, mais potente será a bomba necessária para seu fornecimento, o que aumentará a quantidade de energia consumida.

Construção do poço de produção

Antes de iniciar a operação do poço de produção, é importante saber quanta água ele pode fornecer e qual quantidade de líquido é necessária para aquecer todo o ambiente. Quanto maior a temperatura da água, menos dela será necessária para o aquecimento.

É importante calcular previamente o volume V que deve ser extraído do poço durante uma hora para aquecer o ambiente. Suponha que exista uma bomba cuja capacidade térmica seja igual a um certo número Q kW, e a potência consumida seja o número P kW. Também será necessário saber a temperatura da água subterrânea (t1) e sua temperatura após a troca de calor (t2).

Então a fórmula para calcular o volume de água necessário por hora é a seguinte:

V = (Q-P)/(t1-t2).

Determinar analiticamente a capacidade do poço de produção de fornecer o volume de água necessário é impossível, por isso é realizado um teste. Durante 3 dias, a bomba bombeia água do poço sem interrupção. Dessa forma, também é verificada a capacidade do poço de recepção de receber a quantidade necessária de água sob alta carga.

É importante entender que as águas subterrâneas se comportam de forma imprevisível, portanto a água do poço de produção pode diminuir com o tempo. Por exemplo, na primavera ocorrem cheias, e no inverno, ao contrário, a água diminui. Se a água no poço for insuficiente, o sistema desliga automaticamente e o aquecimento não ocorre.

Características do poço de recepção

O poço tubular de recepção é localizado a jusante do fluxo das águas subterrâneas. Determinar analiticamente a direção do movimento da água é impossível. Portanto, na prática, escolhe-se um poço arbitrário como poço de produção e insere-se nele uma bomba submersa.

Se durante a operação do sistema o nível da água não baixar, a escolha foi correta. Se o nível baixou e a temperatura da água diminuiu, é necessário trocar os poços de lugar – transferir a bomba submersa para outra abertura.

O tubo de drenagem no poço receptor deve ser submerso alguns centímetros na água, sem tocar o fundo. Se descartar o líquido residual por cima, isso resultará em alagamento. O poço tubular pode parar de receber água e entupir.

O resultado pode causar transbordamento e, no inverno, possível congelamento. A melhor opção para a fonte receptora é um rio ou lagoa. Se esses corpos d'água não estiverem próximos, surge a necessidade de perfurar mais um ou mais poços receptores para se prevenir contra transbordamentos.

Na figura, é demonstrado um exemplo de uso de um único poço como receptor e produtor.

Não é possível saber se o poço receberá água, nem por métodos analíticos nem por testes. A prática demonstra que o poço de drenagem pode absorver água ininterruptamente por muitos anos, ou pode simplesmente falhar em uma única estação.

Existem tecnologias que permitem usar um único poço como produtor e receptor, mas esse método não é eficaz – a operação será acompanhada de dificuldades, possível redução da temperatura da água, alagamento e uma série de outros problemas.

Construção do sistema usando um corpo d'água

A lagoa escolhida deve ser suficientemente profunda para que as camadas inferiores da água não congelem durante geadas severas. Nas regiões do Sul, a profundidade ideal será de aproximadamente 1 metro; nas regiões do Norte, será necessária uma fonte com profundidade a partir de 3 metros. Além disso, a lagoa deve ser estável – flutuações no nível da água ou sua diminuição são inaceitáveis.

Dois tubos são levados até o corpo d'água – um de produção e um de recepção. No tubo de recepção é instalada uma bomba submersa.

Como tubos, recomenda-se usar modelos de PND, que se destacam pela durabilidade e confiabilidade. É importante proteger os tubos contra congelamento, isolando-os adicionalmente, e contra rupturas.

Preparação da casa para instalação da bomba de calor

Para interagir com a bomba de calor água-água, a casa deve estar equipada com um sistema de aquecimento baseado em água, composto por tubos e radiadores. Para melhor isolamento, também é permitido instalar tubos de aquecimento no piso e nas paredes.

Se o equipamento for usado para fornecer água quente, a casa deve ter um sistema de coleta dessa água. Para o funcionamento da bomba, será necessária uma conexão à rede elétrica com fornecimento ilimitado.

Sem medidas adicionais de isolamento térmico da casa (isolamento externo, instalação de janelas com vidro duplo, etc.), a operação da bomba de calor não faz sentido.

Os especialistas recomendam instalar adicionalmente um sistema de ventilação do tipo insuflação com mecanismo de aquecimento do ar. O freon utilizado no equipamento é prejudicial aos seres humanos. Se ocorrerem micro-rupturas no circuito do sistema, o gás será liberado e, assim, expulsará o ar do ambiente. O refrigerante pode causar agravamento de doenças pulmonares e crises de asfixia em pessoas.

A bomba de calor é um equipamento pesado, seu peso pode atingir uma tonelada (depende da potência e dimensões), portanto, em alguns casos, é necessário construir uma fundação própria, não conectada à fundação da casa.

Antes de instalar o equipamento, é necessário considerar as dimensões permitidas do ambiente e manter a distância até as paredes indicada no manual do produto.

Equipamento adicional

A escolha de equipamento adicional para a bomba de calor é uma tarefa responsável, cuja solução determina em grande parte a durabilidade do sistema de aquecimento como um todo e a ausência de problemas na operação.

Submerso bomba para poços e reservatórios

Se no sistema a bomba de calor é usada para fornecer água quente, um dispositivo de baixa potência pode reduzir a pressão nas torneiras. Uma bomba potente resolverá esse problema, mas consome mais energia. A potência mínima permitida durante a operação de AQS – 1 kW.

Existem muitas modificações diferentes de bombas submersas. A seleção é feita com base em três critérios, sendo eles:

• Quantidade de líquido a ser bombeado (quanto mais água precisar ser transportada, maior deve ser a potência da bomba).
• Profundidade do poço (quanto mais profundo o poço, maior deve ser a potência do equipamento);
• Diâmetro do poço (tradicionalmente, dá-se preferência a poços de 4 polegadas, pois para eles existe a maior quantidade de bombas, ao contrário dos de 3 polegadas).

Para determinar a profundidade do poço, é necessário amarrar um peso a uma corda e baixá-lo no furo. A parte molhada da corda indicará a profundidade total do poço, e a parte seca determinará a distância do início da água até a superfície.

A bomba é mergulhada no poço até a profundidade especificada pelo fabricante do dispositivo. Normalmente, no manual técnico está indicada a distância que deve haver entre o espelho d'água e a bomba, e entre o fundo da perfuração e a bomba.

Para poços, podem servir tanto bombas universais quanto equipamentos especialmente projetados para poços. Se a perfuração do poço foi feita por profissionais, ele fica menos sujeito ao entupimento por areia, portanto, pode-se usar uma bomba universal sem preocupação.

As bombas projetadas especificamente para poços são mais caras, mas lidam muito bem com areia e sujeira, entupindo menos. As universais são sensíveis a alto teor de matéria orgânica, sendo necessário limpá-las regularmente, o que diminui sua vida útil.

Deve-se dar preferência a bombas com sistema automático, pois em caso de superaquecimento do motor, entupimento excessivo ou falta de água no poço, elas desligam sozinhas, evitando que o motor superaqueça e queime.

Quanto ao princípio de funcionamento, existem 2 tipos de bombas submersíveis:

• Centrífugas.
• Vibratórias.

Para uso em poços que extraem água de calcário, os modelos submersíveis centrífugos são preferíveis. Eles são sensíveis à água com partículas de areia e suspensão de argila.

Se a bomba de calor for conectada a um corpo d'água aberto, é melhor usar equipamento de bombeamento de superfície projetado para bombear água suja, ou um dispositivo vibratório de baixo custo.

Trocador de calor intermediário da bomba de calor

Em bombas de calor, durante a circulação, o freon pode não se resfriar adequadamente, levando ao superaquecimento do compressor devido à temperatura excessiva de descarga. Portanto, é importante melhorar o resfriamento do fluido, reduzindo assim a pressão nos circuitos.

Existe outro problema comum a todas as bombas de calor – o refrigerante pode se misturar com vapor de água. Se o líquido entrar no compressor, pode ocorrer golpe de aríete. Nesse caso, será necessário reparo ou substituição da peça. Além disso, a água pode entrar no óleo, sendo difícil removê-la.

A instalação de um trocador de calor intermediário resolve todos os problemas descritos acima. Existem três tipos de trocadores de calor – de tipo aberto, casco e tubo, e serpentina.

A modificação de tipo aberto neutraliza o líquido que entra no freon durante a circulação, minimizando a probabilidade de golpe de aríete no compressor. O dispositivo se destaca pelo alto desempenho com consumo mínimo de energia.

Ao instalar o trocador de calor de tipo aberto, é importante selecionar corretamente o tamanho da tubulação de líquido para garantir a compressão mínima de pressão.

Tubos corretamente dimensionados evitarão a possibilidade de ebulição do líquido. Além disso, a válvula deve ter capacidade de fluxo suficiente para que o líquido possa entrar no dispositivo com baixa diferença de pressão.

O trocador de calor casco e tubo é apresentado como uma construção fechada. A troca de calor ocorre através das paredes dos tubos, e o líquido e o refrigerante não se misturam, ao contrário do tipo aberto, o que garante alta pressão para a circulação de vapor e ar.

O trocador de calor de serpentina se diferencia pela presença de um regulador de fluxo que controla o fluxo de freon líquido. O tamanho do dispositivo depende diretamente da potência da bomba de calor. A seleção do produto deve ser feita considerando a funcionalidade e o valor disponível. É preferível optar por modelos desmontáveis.

Filtros para bomba de calor

A água de poços ou reservatórios não chega pura. Pode conter areia, sujeira, vários microelementos – ferro, sulfeto de hidrogênio, manganês, cloro, amônia, etc. Antes de entrar na bomba de calor, a água deve ser filtrada.

Primeiramente, é necessário eliminar as substâncias grandes – pedras, areia, sujeira, lodo. Para removê-los da água, é necessária a instalação de um hidrociclone.

Hidrociclone – dispositivo necessário para limpeza grossa da água. Deve ser selecionado considerando a potência da bomba.

Em seguida, é importante instalar filtros que removam ferro, sulfeto de hidrogênio, manganês, amônia. Esses microelementos reduzem a vida útil do equipamento, causando corrosão.

Pode-se utilizar filtros de osmose reversa, amaciadores, desferrizadores e suas modificações. Para fornecer água quente potável, adicionalmente devem ser equipados filtros de carvão e um esterilizador UV, que elimina bactérias e vírus.

Gerador elétrico para alimentação de reserva

As bombas de calor funcionam a partir da rede elétrica, portanto, se houver falta de energia, a casa ficará sem aquecimento. É aconselhável adquirir adicionalmente um gerador elétrico que funcione com substâncias combustíveis.

É importante que o gerador elétrico possa gerar a potência necessária para o funcionamento do compressor da bomba.

Características de operação dessa bomba de calor

Uma vez por ano, é necessário realizar uma inspeção visual independente dos componentes da bomba, seguir as recomendações de manutenção – lubrificar as peças pontualmente, monitorar a operação correta do aparelho durante o bombeamento de água.

Alguns tipos de equipamento precisam de verificação regular (geralmente 1-2 vezes por ano) por especialistas do centro de serviço. Durante a verificação, identificam-se:

• vazamentos de óleo da máquina através de fissuras no circuito;
• qualidade das fixações e conexões;
• nível de pressão nos tanques e circuitos;
• falhas no funcionamento da fiação elétrica.

A instalação da bomba de calor água-água deve ser confiada a profissionais treinados. A ineficiência do sistema geralmente está relacionada à sua instalação incorreta. O equipamento térmico é adequado para uso tanto por moradores das regiões Sul quanto do Norte.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O vídeo apresentará o princípio de funcionamento e as características do dispositivo:

Em resumo, pode-se concluir que a bomba de calor água-água é considerada um equipamento eficiente e ecologicamente seguro, projetado para aquecer casas de até 150 metros quadrados. Para o aquecimento de áreas maiores, podem ser necessários estudos de engenharia bastante complexos.

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