Como fazer uma bomba de calor para aquecimento doméstico com as próprias mãos: princípio de funcionamento e esquemas de montagem

As primeiras versões das bombas de calor só podiam satisfazer parcialmente as necessidades de energia térmica. As variedades modernas são mais eficientes e podem ser usadas para sistemas de aquecimento. É por isso que muitos proprietários tentam montar uma bomba de calor faça você mesmo.

Vamos explicar como escolher a opção ideal de bomba de calor considerando os dados geográficos do terreno onde será instalada. No artigo proposto, descrevemos detalhadamente o princípio de funcionamento dos sistemas de uso de “energia verde” e listamos as diferenças. Com nossos conselhos, você, sem dúvida, escolherá um tipo eficiente.

Para artesãos independentes, apresentamos a tecnologia de montagem da bomba de calor. As informações apresentadas são complementadas por diagramas visuais, coleções de fotos e um vídeo tutorial detalhado em duas partes.

O que é uma bomba de calor e como funciona?

O termo bomba de calor refere-se a um conjunto específico de equipamentos. A principal função deste equipamento é coletar energia térmica e transportá-la para o consumidor. Qualquer corpo ou meio com temperatura de +1º ou mais pode se tornar uma fonte de tal energia.

No ambiente que nos rodeia, existem fontes de calor de baixa temperatura mais do que suficientes. São resíduos industriais de empresas, usinas térmicas e nucleares, efluentes de esgoto, etc. Para o funcionamento de bombas de calor no aquecimento residencial, são necessárias três fontes naturais auto-recuperáveis – ar, água e terra.

As bombas de calor “extraem” energia de processos que ocorrem regularmente no meio ambiente. O fluxo dos processos nunca para, por isso as fontes são consideradas inesgotáveis pelos critérios humanos.

Os três potenciais fornecedores de energia listados estão diretamente relacionados à energia solar, que, por meio do aquecimento, movimenta o ar com o vento e transmite energia térmica à terra. É a escolha da fonte que é o principal critério pelo qual os sistemas de bomba de calor são classificados.

O princípio de funcionamento das bombas de calor baseia-se na capacidade dos corpos ou meios de transferir energia térmica para outro corpo ou meio. Os receptores e fornecedores de energia nos sistemas de bomba de calor geralmente trabalham em pares.

Assim, distinguem-se os seguintes tipos de bombas de calor:

• Ar – água.
• Terra – água.
• Água – ar.
• Água – água.
• Terra – ar.
• Água – água
• Ar – ar.

Nesse caso, a primeira palavra determina o tipo de ambiente do qual o sistema retira o calor de baixa temperatura. A segunda indica o tipo de meio para o qual essa energia térmica é transferida. Assim, em bombas de calor água – água, o calor é retirado do ambiente aquático e um líquido é usado como fluido de transferência de calor.

As bombas de calor, por seu tipo construtivo, são unidades de compressão a vapor. Elas extraem calor de fontes naturais, processam-no e transportam-no aos consumidores (+)

As bombas de calor modernas utilizam três principais fontes de energia térmica. Estas são – solo, água e ar. A opção mais simples entre essas é a bomba de calor de ar. A popularidade desses sistemas está relacionada à sua construção bastante simples e facilidade de instalação.

No entanto, apesar dessa popularidade, essas variedades apresentam capacidade bastante baixa. Além disso, a eficiência é instável e depende das variações sazonais de temperatura.

Com a queda da temperatura, sua capacidade diminui significativamente. Tais opções de bombas de calor podem ser consideradas como um complemento à fonte principal existente de energia térmica.

As variantes de equipamentos que utilizam o calor do solo são consideradas mais eficientes. O solo recebe e acumula energia térmica não apenas do Sol, ele é constantemente aquecido pela energia do núcleo terrestre.

Ou seja, o solo é uma espécie de acumulador térmico, cuja potência é praticamente ilimitada. Além disso, a temperatura do solo, especialmente em certa profundidade, é constante e oscila dentro de limites insignificantes.

Âmbito de aplicação da energia gerada por bombas de calor:

A constância da temperatura da fonte é um fator importante para o funcionamento estável e eficiente deste tipo de equipamento energético. Sistemas em que o meio aquático é a principal fonte de energia térmica possuem características semelhantes. O coletor dessas bombas é colocado ou em um poço, onde fica no aquífero, ou em um corpo d'água.

A temperatura média anual de fontes como solo e água varia de +7º a +12º C. Essa temperatura é suficiente para garantir o funcionamento eficiente do sistema.

As bombas de calor mais eficientes são consideradas aquelas que extraem energia térmica de fontes com indicadores de temperatura estáveis, ou seja, da água e do solo

Elementos principais da construção de bombas de calor

Para que a instalação de obtenção de energia funcione de acordo com os princípios de funcionamento de uma bomba de calor, sua construção deve incluir 4 unidades principais, a saber:

• Compressor.
• Evaporador.
• Condensador.
• Válvula de expansão.

Um elemento importante da construção de uma bomba de calor é o compressor. Sua função principal – é aumentar a pressão e a temperatura dos vapores formados pela ebulição do refrigerante. Para equipamentos de climatização e bombas de calor em particular, são utilizados compressores espirais modernos.

Como fluido de trabalho, que realiza a transferência direta de energia térmica, são usados líquidos com baixo ponto de ebulição. Geralmente, são usados amônia e freons (+)

Esses compressores são projetados para operação em temperaturas negativas. Ao contrário de outros tipos, os compressores espirais produzem pouco ruído e funcionam tanto em baixas temperaturas de ebulição do gás quanto em altas temperaturas de condensação. Suas dimensões compactas e baixo peso específico são consideradas uma vantagem indiscutível.

Praticamente toda a energia da bomba de calor é gasta no transporte de energia térmica de fora para dentro do ambiente. Assim, para o funcionamento dos sistemas, gasta-se cerca de 1 unidade de energia para produzir de 4 a 6 unidades (+)

O evaporador, como elemento estrutural, é um tanque no qual ocorre a transformação do refrigerante líquido em vapor. O refrigerante, circulando em um circuito fechado, passa pelo evaporador. Nele, o refrigerante é aquecido e se transforma em vapor. O vapor resultante, sob baixa pressão, é direcionado para o compressor.

No compressor, os vapores do refrigerante são submetidos à pressão e sua temperatura aumenta. O compressor bombeia o vapor aquecido sob alta pressão para o condensador.

O compressor comprime o fluido que circula no circuito, resultando no aumento de sua temperatura e pressão. Em seguida, o fluido comprimido entra no trocador de calor (condensador), onde é resfriado, transferindo calor para a água ou para o ar.

O próximo elemento estrutural do sistema – é o condensador. Sua função se resume a fornecer energia térmica ao circuito interno do sistema de aquecimento.

Os modelos de série fabricados por empresas industriais são equipados com trocadores de calor de placas. O material principal para esses condensadores é aço ligado ou cobre.

Para a fabricação caseira do trocador de calor, é adequado um tubo de cobre com meia polegada de diâmetro. A espessura das paredes dos tubos usados para fazer o trocador de calor deve ser de pelo menos 1 mm.

A válvula termorreguladora, ou válvula de estrangulamento, é instalada no início da parte do circuito hidráulico onde o fluido circulante de alta pressão é transformado em fluido de baixa pressão. Mais precisamente, o estrangulador, em conjunto com o compressor, divide o circuito da bomba de calor em duas partes: uma com parâmetros de alta pressão, a outra – com baixa pressão.

Ao passar pela válvula de expanão, o líquido que circulla em circuíto fechado evapora parcilmente, façendo com que a pressão e a tempratura caiam. Em seguida, ele entra no procador de calor, que se comunicca com o ambiante. Lá, ele capta a enrgia do ambiante e a transpor de volta para o sistma.

Através da válvula de expansão, ocorre a regulação do fluxo de refrigerante em direção ao evaporador. Ao escolher a válvula, é necessário considerar os parâmetros do sistema. A válvula deve ser compatível com esses parâmetros.

Ao passar pela vávula termorreguladra, o fluído de transfrência de calor líquido evapora parcilmente, e a tempratura do fluxo iminui (+)

Escolha do tipo de bomba de calor

O pricipal indicador deste sitema de aquecimento é a potência. Os custos financeiros para a compra do equipamento e a escolha de uma ou outra fonte de calor de baixa temperatura dependerão princialmente da potência. Quato maor a potência do sitema de bomba de calor, maior o csto dos componentes.

Primeiamente, refere-se à potência do compressor, à profundidade dos poços para sondas geotérmicas ou à área necessária para a instalação do coletor horizontal. Cálculos termodinâmicos corretos são uma garantia de que o sistema funcionará eficientemente.

Se houver um corpo d'água próximo à sua propriedade, a escolha mais rentável e produtiva será uma bomba de calor água-água.

Para começar, é preciso estudar o terreno onde será instalada a bomba. A condição ideal é a presença de um corpo d'água nesse terreno. O uso da opção do tipo água-água reduzirá signficativamente o volume de trabalhos de escavação.

O uso do calor da terra, por outro lado, envolve uma grande quantdade de trabalhos relacionados à remoção de solo. Os sistmas que uam o meio aquátic como fonte de calor de baixo potenial são considerados os mais eficientes.

O dispositivo da bomba de calor que extrai a energia térmica do solo exige a realização de uma quantidade considerável de trabalhos de terraplenagem. O coletor é instalado abaixo do nível de congelamento sazonal.

É possível utilizar a energia térmica do solo de duas formas. A primeira envolve a perfuração de poços com diâmetro de 100-168 mm. A profundidade desses poços, depenendo dos parâmetros do sistma, pode atingir 100 m ou mais.

Nesses poços são colocadas sondas especiais. Na segnda forma, é uado um coleor de tubos. Esse coleor é instalaado abaixo do sulo em um plano horiontal. Para esa opção, é necesária uma área suficientemente grande.

Para a instalação do coletor, são considerados ideais os terrenos com solo úmido. Naturalmente, a perfuração de poços será mais cara do que a disposição horizontal do coletor. No entanto, nem todos os terrenos têm áreas livres. Para cada kW de potência da bomba de calor, são necessários de 30 a 50 m² de área.

A construção para captação de energia térmica com um único poço profundo pode ser um pouco mais barata do que a escavação de uma vala. Mas a grande vantagem está na economia significativa de espaço, o que é importante para proprietários de terrenos pequenos.

No caso de existir no terreno um lençol freático raso, os trocadores de calor podem ser instalados em dois poços localizados a cerca de 15 m um do outro.

A extração de energia térmica nesses sistemas é feita bombeando água subterrânea por um circuito fechado, cujas partes estão localizadas nos poços. Esse sistema precisa da instalação de um filtro e da limpeza periódica do trocador de calor.

O esquema mais simples e barato de uma bomba de calor baseia-se na extração de energia térmica do ar. Outrora, tornou-se a base para a construção de geladeiras, e mais tarde, seguindo seus princípios, foram desenvolvidos os condicionadores de ar.

O sistema de bomba de calor mais simples obtém energia da massa de ar. No verão, participa do aquecimento; no inverno, do ar condicionado. A desvantagem do sistema é que, na execução autônoma, a unidade tem potência insuficiente.

A eficiência dos diferentes tipos deste equipamento não é a mesma. As bombas que utilizam o meio ambiente aéreo apresentam os menores índices. Além disso, esses índices dependem diretamente das condições climáticas.

As variedades geotérmicas de bombas de calor possuem índices estáveis. O coeficiente de eficiência desses sistemas varia entre 2,8 e 3,3. Os sistemas água-água possuem a maior eficiência. Isso se deve, principalmente, à estabilidade da temperatura da fonte.

Deve-se notar que quanto mais fundo estiver localizado o coletor da bomba no corpo d'água, mais estável será a temperatura. Para obter uma potência do sistema de 10 kW, são necessários cerca de 300 metros de tubulação.

O principal parâmetro que caracteriza a eficiência do funcionamento de uma bomba de calor é o seu coeficiente de transformação. Quanto maior o coeficiente de transformação, mais eficiente é considerada a bomba de calor.

O coeficiente de transformação da bomba de calor é expresso pela relação entre os valores do fluxo térmico e a potência elétrica gasta no funcionamento do compressor.

Montagem da bomba de calor por conta própria

Conhecendo o esquema de funcionamento e a estrutura da bomba de calor, é perfeitamente possível montar e instalar você mesmo um sistema de aquecimento alternativo. Antes de iniciar os trabalhos, é necessário calcular todos os parâmetros principais do sistema futuro. Para calcular os parâmetros da futura bomba, pode-se utilizar um software destinado à otimização de sistemas de refrigeração.

A opção mais simples de construir é o sistema ar-água. Ele não exige trabalhos complexos para a instalação do circuito externo, que é inerente às variedades aquáticas e subterrâneas de bombas de calor. Para a montagem, serão necessários apenas dois dutos: por um deles será fornecido o ar, e pelo segundo será evacuada a massa de exaustão.

A maneira mais fácil de construir uma bomba de calor com captação de calor da massa de ar é fazer você mesmo. Um ventilador instalado do lado de fora força o ar em direção ao evaporador.

Além do ventilador, é necessário adquirir um compressor com a potência adequada. Para tal unidade, um compressor como o utilizado em sistemas split comuns é perfeitamente adequado. Não é necessário comprar uma unidade nova.

Pode-se retirá-lo de equipamentos antigos ou utilizar peças de uma geladeira velha. É aconselhável usar a variedade espiral. Esses tipos de compressores, além de possuírem eficiência suficiente, geram alta pressão que proporciona o aumento da temperatura.

Para construir o condensador, serão necessários um recipiente e um tubo de cobre. Com o tubo, faz-se uma serpentina. Para sua fabricação, utiliza-se qualquer corpo cilíndrico do diâmetro necessário. Enrolando o tubo de cobre nele, é possível fabricar este elemento estrutural de forma fácil e rápida.

A serpentina pronta é montada em um recipiente previamente cortado ao meio. Para fabricar o recipiente, é melhor usar materiais resistentes a processos de corrosão. Após colocar a serpentina nele, as metades do tanque são soldadas.

A área da serpentina é calculada pela seguinte fórmula:

MT/0,8 RT,

onde:

• MT – potência da energia térmica fornecida pelo sistema.
• 0,8 – coeficiente de condutividade térmica na interação da água com o material da serpentina.
• RT – diferença de temperatura da água na entrada e na saída.

Ao escolher um tubo de cobre para a fabricação caseira da serpentina, é preciso prestar atenção à espessura das paredes. Ela deve ser de no mínimo 1 mm. Caso contrário, durante o enrolamento, o tubo se deformará. O tubo por onde é feita a entrada do refrigerante é posicionado na parte superior do recipiente.

O trocador de calor feito de tubo de cobre é fabricado enrolando o tubo de cobre em um objeto de forma cilíndrica. Quanto maior a área de superfície da serpentina, maior a eficiência da bomba.

O evaporador da bomba de calor pode ser feito em duas versões – na forma de um recipiente com uma serpentina em seu interior e na forma de tubo dentro de tubo. Como a temperatura do líquido no evaporador é baixa, o recipiente pode ser feito de um barril de plástico. Neste recipiente é colocado o circuito, que é feito de tubo de cobre.

Ao contrário do condensador, a espiral da serpentina do evaporador deve corresponder ao diâmetro e à altura do recipiente escolhido. A segunda versão do evaporador: tubo dentro de tubo. Nessa versão, o tubo com refrigerante é colocado dentro de um tubo de plástico de maior diâmetro, por onde circula a água.

O comprimento desse tubo depende da potência planejada da bomba. Pode ser de 25 a 40 metros. Esse tubo é enrolado em espiral.

A válvula termostática pertence à categoria de válvulas de bloqueio e controle de tubulações. Como elemento de bloqueio do TRV, é utilizada uma agulha. A posição do elemento de bloqueio da válvula é determinada pela temperatura no evaporador.

Este importante elemento do sistema tem uma estrutura bastante complexa. Ela é composta por:

• Termoelemento.
• Diafragma.
• Tubo capilar.
• Termobalão.

Esses elementos podem se tornar inutilizáveis em alta temperatura. Portanto, durante os trabalhos de soldagem do sistema, a válvula deve ser isolada com tecido de amianto. A válvula reguladora deve corresponder à capacidade do evaporador.

Após a fabricação das principais partes estruturais, chega o momento crítico da montagem de toda a estrutura em um único bloco. A etapa mais crítica é o processo de carga do refrigerante ou do fluido de transferência térmica no sistema.

Realizar tal operação por conta própria dificilmente está ao alcance de uma pessoa comum. Aqui será necessário recorrer a profissionais que fazem reparos e manutenção de equipamentos de climatização.

Os trabalhadores desta área geralmente possuem o equipamento necessário. Além de carregar o refrigerante, eles podem testar o funcionamento do sistema. A carga independente do refrigerante pode levar não apenas à quebra da estrutura, mas também a ferimentos graves. Além disso, para inicializar o sistema também é necessário equipamento especial.

Ao iniciar o sistema, ocorre um pico de carga de partida, geralmente em torno de 40 A. Portanto, a partida do sistema sem um relé de partida é impossível. Após a primeira partida, é necessário ajustar a válvula e a pressão do refrigerante.

A escolha do refrigerante deve ser levada com toda a seriedade. Afinal, essa substância é essencialmente considerada a principal “transportadora” de energia térmica útil. Entre os refrigerantes modernos existentes, os freons são os mais populares. São derivados de compostos de hidrocarbonetos, nos quais parte dos átomos de carbono é substituída por outros elementos.

Como resultado da montagem dos elementos individuais da bomba de calor, deve-se obter um circuito fechado, no qual circula o meio de trabalho.

Como resultado desses trabalhos, obteve-se um sistema com circuito fechado. Nele circulará o refrigerante, garantindo a extração e transferência de energia térmica do evaporador para o condensador. Ao conectar as bombas de calor ao sistema de aquecimento da casa, deve-se considerar que a temperatura da água na saída do condensador não ultrapassa 50 – 60 graus.

Devido à baixa temperatura da energia térmica gerada pela bomba de calor, como consumidor de calor, é necessário escolher dispositivos de aquecimento especializados. Podem ser piso aquecido ou radiadores volumétricos de baixa inércia, de alumínio ou aço, com grande área de radiação.

As versões caseiras de bombas de calor são mais adequadamente consideradas como equipamentos auxiliares, que apoiam e complementam o funcionamento da fonte principal.

A cada ano, os projetos das bombas de calor são aprimorados. Nos modelos industriais destinados ao uso doméstico, são utilizadas superfícies de transferência de calor mais eficientes. Como resultado, o desempenho dos sistemas aumenta constantemente.

Um fator importante que estimula o desenvolvimento dessa tecnologia de produção de energia térmica é a componente ambiental. Tais sistemas, além de serem bastante eficientes, não poluem o meio ambiente. A ausência de chama aberta torna seu funcionamento absolutamente seguro.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo #1. Como fazer a bomba de calor caseira mais simples com trocador de calor de tubo PEX:

Vídeo #2. Continuação da instrução:

As bombas de calor já são utilizadas há bastante tempo como sistemas de aquecimento alternativos. Esses sistemas são confiáveis, têm longa vida útil e, o que é importante, são inofensivos ao meio ambiente. Eles estão começando a ser seriamente considerados como mais um passo no desenvolvimento de sistemas de aquecimento eficientes e seguros.

Quer fazer uma pergunta ou contar sobre um método interessante de construir uma bomba de calor que não foi mencionado no artigo? Por favor, escreva comentários no bloco abaixo.