Bomba de calor “ar-ar”: princípio de funcionamento, dispositivo, seleção e cálculos

Você deseja instalar aquecimento por convecção em casa, onde o refrigerante é aquecido por uma bomba de calor 'ar-ar', proporcionando economia significativa nos custos de aquecimento? Concorde que obter aquecimento completo junto com água quente quase de graça é uma perspectiva muito tentadora.

Mas você não sabe como construir esse sistema para aquecer ambientes de forma alternativa e obter água quente para uso doméstico?

Nós ajudaremos a entender esta questão - o artigo aborda o princípio de funcionamento e a estrutura da bomba. A energia para esse sistema será gasta apenas no funcionamento do compressor, enquanto a maior parte do calor será retirada simplesmente da atmosfera externa, pela qual ainda não nos cobram.

Também são consideradas as vantagens de sua implementação no sistema e as desvantagens significativas. Atenção especial é dada à seleção e cálculo da bomba.

E para quem gosta de fazer tudo sozinho, propomos construir essa bomba por conta própria, usando materiais disponíveis. Como auxílio, fornecemos materiais fotográficos e recomendações em vídeo sobre a estrutura e funcionamento da bomba de calor a ar.

Características da bomba de calor ar-ar

Qualquer bomba de calor é um equipamento da área de energia alternativa. Ela capta a energia térmica das massas de ar externas, do espaço circundante interno, para aquecer objetos residenciais e não residenciais.

Ao mesmo tempo, não são utilizados quaisquer tipos de combustíveis queimáveis.

Externamente, a bomba de calor (BC) ar-ar se assemelha a um ar condicionado inverter, sistema split com uma unidade externa e uma interna.

E pelo princípio de funcionamento, lembra mais um refrigerador, só que agindo 'ao contrário'. Mas, diferentemente de ambos, esta bomba de calor é capaz de tanto resfriar quanto aquecer as massas de ar na casa.

A bomba de calor capta energia térmica de baixo potencial da atmosfera externa e aquece o ar interno até temperaturas confortáveis

Princípio de funcionamento e estrutura interna

O princípio de funcionamento da BC ar-ar é baseado em um fenômeno físico simples da termodinâmica – o líquido ao evaporar resfria a superfície com a qual se dissipa. Por exemplo, o vapor sobre uma xícara de chá quente demonstra o mesmo efeito.

Neste princípio também funciona um refrigerador comum. Dentro dele há tubos pelos quais circula o refrigerante sob alta pressão. Ele absorve o calor do interior do congelador, aquecendo-se ligeiramente no processo.

Depois, o calor coletado é liberado para o ar da sala por meio de um trocador de calor (grade na parte traseira do refrigerador).

No inverno, a bomba de calor ar-ar aquece o ar ambiente e, no verão, pode resfriá-lo.

E para que o refrigerante esfrie até as temperaturas de operação, ele é comprimido no compressor. Além disso, durante o ciclo de trabalho, o freon dentro do sistema compressor-condensador-evaporador passa constantemente do estado gasoso para o líquido e vice-versa.

A bomba de calor de ar funciona de forma absolutamente análoga. Apenas ela capta o calor do exterior, e não de um congelador fechado. Mesmo que esteja gelado lá fora, ainda há bastante energia térmica na atmosfera.

Para produzir calor, a bomba de calor precisa apenas da energia consumida pelo funcionamento do compressor. O diagrama mostra detalhadamente o processo de transferência de calor.

A bomba de calor ar-ar é composta pelos seguintes elementos:

• compressor;
• evaporador com ventilador de sopro forçado;
• válvula de expansão;
• tubos de cobre para circulação de freon entre o exterior e a casa;
• condensador com ventilador de fornecimento de ar aquecido para o ambiente.

Os três primeiros elementos constituem a unidade externa, e o último pertence à parte interna da bomba de calor. Os tubos de cobre com isolamento térmico são destinados ao transporte contínuo do fluido térmico entre esses módulos do sistema split.

O movimento do freon na bomba de calor ocorre em um ciclo fechado, resultando em compressão e expansão constantes.

O algoritmo de funcionamento da bomba de calor ar-ar é o seguinte:

1. O ar externo é aspirado pelo ventilador para a unidade externa e passa pelas aletas do evaporador externo. O freon que circula pelo trocador de calor absorve a energia térmica presente, transformando-se em estado gasoso.
2. Em seguida, o gás entra no condensador, onde é comprimido. Depois, ele é bombeado através dos tubos de cobre para a unidade interna.
3. No condensador localizado dentro de casa, o gás retorna ao estado líquido, transferindo calor para o ar interno.
4. Em seguida, o excesso de pressão é aliviado através da válvula de expansão, e o freon líquido é novamente enviado ao evaporador primário.

O valor da temperatura do freon que entra na unidade externa é sempre inferior à temperatura ambiente. Portanto, ele sempre absorve calor da atmosfera.

Mas o nível de 'resfriamento' do fluido térmico no sistema é constante, enquanto a temperatura externa oscila constantemente. Por esse motivo, em geadas severas, a bomba de calor perde sua eficiência.

Ciclo de movimento do fluido térmico da bomba de calor ar-ar: 1. ele é comprimido pelo compressor, 2. condensa-se no trocador de calor, liberando calor, 3. na forma líquida entra no trocador de calor externo, 4. lá evapora, capturando a energia térmica do ambiente externo durante a evaporação, 5. retorna novamente ao condensador.

Para aumentar a potência da bomba de calor, as superfícies do condensador e do evaporador são feitas o maior possível. E para garantir o funcionamento ininterrupto no inverno, o trocador de calor externo é equipado com seu próprio sistema de degelo.

Vantagens e desvantagens da bomba de calor a ar

Cada sistema tecnicamente complexo tem suas vantagens e desvantagens. Os folhetos publicitários são uma coisa, mas na realidade os proprietários de bombas de calor correm o risco de enfrentar certos problemas.

As unidades de aquecimento/resfriamento do tipo 'ar-ar' são vantajosas por várias razões.

Entre as principais vantagens estão:

• Versatilidade. Os sistemas permitem aquecer e resfriar ambientes dependendo da finalidade do cômodo, das necessidades e da estação climática.
• Sustentabilidade. Permitem abandonar completamente a queima de gás natural, carvão, lenha, etc., que poluem o meio ambiente com produtos da combustão.
• Facilidade de instalação. Montar o sistema a partir de componentes fabricados em fábrica não é difícil. É possível construir uma bomba de calor manualmente com materiais improvisados.
• Segurança contra incêndios. O processo de obtenção de calor não envolve o uso de combustível. Mesmo falhas na operação da unidade não podem causar incêndios.
• Economia. Atraem pelo alto coeficiente de transferência de calor com custos mínimos (para cada 1 kWh de eletricidade consumida, produzem 4–5 kWh de calor). Além disso, se pagam rapidamente.
• Acessibilidade de preço. O custo dos sistemas fabricados em fábrica permite que praticamente todos os interessados adquiram uma bomba de calor. Uma instalação feita à mão será praticamente gratuita.
• Facilidade de operação. O dispositivo tecnicamente mais complexo do sistema – o compressor, cuja manutenção não é difícil de realizar. Com a carga típica das bombas de calor, os compressores raramente falham antes do prazo prometido pelo fabricante.

Para organizar o aquecimento em um único cômodo, basta instalar um sistema split, pendurando o módulo externo na fachada e o convector na parede interna. Para aquecer vários ambientes, será necessário instalar canais de distribuição de ar aquecido.

Para cada quilowatt de eletricidade consumido, a bomba de calor fornece até cinco quilowatts de energia térmica

Todo o controle da bomba de calor ar-ar é feito pela automação embutida. Não será necessário prestar atenção especial à operação e configuração deste sistema. Será necessário apenas limpar regularmente os filtros de ar e, ocasionalmente, substituí-los.

Entre os aspectos negativos das bombas de calor, podemos mencionar:

• um ruído de fundo, ainda que insignificante;
• dependência direta da eficiência do sistema em relação à temperatura externa;
• aumento do consumo de eletricidade quando a temperatura externa cai;
• poeira constantemente suspensa no ar devido ao funcionamento contínuo do ventilador e à convecção do ar no ambiente;
• dependência do fornecimento de eletricidade (para operação ininterrupta, será necessário um gerador).

Com temperaturas externas de até -10°C, tudo funciona perfeitamente; o calor captado do exterior é suficiente para criar condições confortáveis na casa. Mas, com a queda adicional da temperatura, a eficiência da bomba cai drasticamente.

Se a casa foi construída em uma região de clima frio com geadas severas no inverno, não será possível prescindir de uma caldeira ou lareira adicional.

Em climas quentes, a bomba de calor a ar lida sem problemas com as tarefas de aquecimento de uma casa particular, mas em geadas severas, uma fonte adicional de calor não fará mal.

Para a instalação de aquecimento a ar, esses sistemas são ideais. Mínimo de gastos com eletricidade, esforço de instalação e problemas de manutenção. Mas eles não podem aquecer água. Para isso, será necessário instalar adicionalmente um aquecedor de água ou conectar-se a redes centralizadas.

As bombas de calor ar-ar são a forma ideal de aquecer edifícios construídos em madeira ou SIP (painéis estruturais isolados). Essas construções têm baixas perdas de calor, e a potência da bomba de calor a ar é mais que suficiente para aquecê-las.

No período de verão, a bomba de calor ar-ar pode ser usada para aquecer a água da piscina

Diferenças fundamentais em relação ao ar condicionado

Externamente, a bomba de calor ar-ar é semelhante a um ar condicionado doméstico. Mas possui suas próprias características construtivas e especificações técnicas distintas.

O primeiro dispositivo é usado como fonte principal de aquecimento, funcionando durante todo o ano. Já o segundo é mais destinado a resfriar o ar no calor do verão.

A função principal da bomba de calor é o aquecimento. No entanto, muitos modelos também conseguem resfriar o ar ambiente. Mas nesse modo de operação, eles perdem significativamente em eficiência energética para o ar condicionado. É mais um caso extremo de uso.

Na aparência, o ar condicionado e a bomba de calor de ar são semelhantes, mas têm finalidades e características operacionais completamente diferentes.

Por outro lado, muitos condicionadores de ar inverter também podem aquecer o ar nos ambientes. Mas eles consomem muito mais eletricidade do que as bombas de calor. Cada dispositivo tem a sua finalidade.

O uso da bomba de calor 'ar-ar' é, antes de tudo, uma transição para fontes de energia renováveis.

Esses sistemas são economicamente vantajosos, apesar dos grandes investimentos iniciais. A redução nos pagamentos de aquecimento compensa todos os custos iniciais.

Seleção e cálculos da bomba de calor

A bomba de calor ar-ar será eficiente somente se for selecionada corretamente. É necessário calcular antecipadamente sua potência em função da metragem quadrada da casa. E só então ver quais são os preços dos diferentes fabricantes.

Nos cálculos, é usado o coeficiente de eficiência energética COP (relação entre a potência da bomba de calor e a energia consumida).

Em condições 'ideais', ele frequentemente atinge 4–5 pontos, e os modelos mais modernos chegam a 7–8. No entanto, quando a temperatura externa cai para -15 a -20°C, esse indicador cai drasticamente para apenas 2.

A produtividade ideal de aquecimento da bomba de calor é obtida em temperaturas externas de -10…+10 graus Celsius, pois ela retira até ¾ da energia térmica do exterior.

Ao calcular o aquecimento a ar, é necessário considerar:

• o isolamento térmico e a insolação dos ambientes;
• a área dos cômodos;
• o número de residentes na casa;
• as condições climáticas gerais da região onde a casa está localizada.

Para a maioria das casas, a cada dez metros quadrados são necessários cerca de 0,7 kW de potência da bomba de calor. Mas tudo isso é bastante relativo. Se os tetos forem mais altos que 2,7 m ou se as paredes e janelas forem mal isoladas, será necessário mais calor.

Não faltam fabricantes de bombas de calor ar-ar na Ásia e na Europa.

Os sistemas das marcas Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic e Toshiba têm boas avaliações. Quase todos os seus modelos estão adaptados às condições locais de operação e tiveram um bom desempenho.

Mesmo com flutuações de tensão, eles não quebram, continuando a funcionar corretamente após o restabelecimento da energia.

O preço das bombas de calor de ar populares varia de 900 a 4.500 €. Aqui, muito depende não apenas da potência da unidade, mas também das funcionalidades adicionais e do país de fabricação.

Alguns modelos incluem:

• filtros de purificação e desinfecção do ar;
• aquecedores de reserva;
• geradores elétricos;
• módulos GSM para controle do sistema;
• ionizadores e ozonizadores.

A prática mostra que, em geadas abaixo de -15 °C, os ambientes aquecidos apenas pela bomba de calor de ar ficam frios. E, sem um aquecedor adicional, o conforto nos cômodos é francamente insuficiente.

No entanto, nas regiões do sul, onde essas geadas são raras, a bomba de calor é bastante eficiente e justifica plenamente o dinheiro gasto devido à economia de energia.

Faça você mesmo a partir de um refrigerador antigo

Montar uma bomba de calor ar-ar manualmente com compressores e condensadores individuais, sem conhecimentos especializados de engenharia, é bastante difícil. Mas, para um cômodo pequeno ou uma estufa, é possível usar uma geladeira velha.

A bomba de calor de ar mais simples pode ser feita a partir de uma geladeira, conectando um duto de ar externo e instalando um ventilador na grade traseira do trocador de calor.

Para isso, é necessário fazer dois furos na porta frontal da geladeira. Pelo primeiro, o ar externo entrará no congelador; pelo segundo, inferior, será expelido de volta para fora.

Durante a passagem pela câmara interna, o ar cederá parte do calor que contém ao freon.

Também é possível simplesmente embutir a máquina de refrigeração na parede, com a porta aberta para o exterior e o trocador de calor traseiro voltado para o interior. No entanto, deve-se considerar que a potência desse aquecedor será pequena e ele consome bastante eletricidade.

O ar no ambiente é aquecido pelo trocador de calor na parte traseira da geladeira. No entanto, essa bomba de calor só pode funcionar com temperaturas externas não inferiores a 5 °C.

Este eletrodoméstico foi projetado para uso exclusivamente em ambientes internos.

Em um grande chalé, o sistema de aquecimento a ar precisará ser complementado com dutos que distribuem o ar quente uniformemente por todos os cômodos.

A instalação de uma bomba de calor ar-ar é extremamente simples. É necessário instalar as unidades externa e interna e, em seguida, conectá-las entre si com um circuito de refrigerante.

A primeira parte do sistema é instalada do lado de fora: diretamente na fachada, no telhado ou próximo ao edifício. A segunda parte, dentro de casa, pode ser colocada no teto ou na parede.

Recomenda-se instalar a unidade externa a alguns metros da entrada do chalé e longe das janelas, não esquecendo o ruído produzido pelo ventilador.

E a unidade interna é instalada de modo que o fluxo de ar quente se distribua uniformemente por todo o cômodo.

Se você planeja aquecer uma casa com vários cômodos em andares diferentes com uma bomba de calor ar-ar, será necessário instalar um sistema de dutos de ventilação com insuflação forçada.

Nesse caso, é melhor encomendar um projeto a um engenheiro competente, caso contrário a potência da bomba de calor pode não ser suficiente para todos os cômodos.

O medidor elétrico e o dispositivo de proteção devem suportar as cargas de pico criadas pela bomba de calor. Quando a temperatura cai drasticamente do lado de fora, o compressor começa a consumir muito mais eletricidade do que o normal.

O melhor é instalar uma linha de alimentação separada do quadro de distribuição para esse aquecedor de ar.

Atenção especial deve ser dada à instalação dos tubos de freon. Mesmo a menor lasca dentro pode danificar o equipamento do compressor.

Aqui, não se pode prescindir de habilidades de soldagem de cobre. A recarga de refrigerante deve ser confiada a um profissional para evitar problemas futuros com vazamentos.

Uma instrução passo a passo para fazer uma bomba de calor a partir de um refrigerador é descrita neste artigo.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Princípio de funcionamento do sistema split de aquecimento "ar-ar":

Bomba de calor a ar em sistema de aquecimento de uma casa de dois andares:

Condicionador de ar inverter ou bomba de calor a ar – o que é melhor?

As bombas de calor que funcionam com o princípio "ar-ar" são dispositivos de alta eficiência. São simples de manter, convenientes de operar e econômicas.

Atualmente, há uma enorme variedade desses sistemas à venda; para qualquer casa, é possível escolher uma unidade de aquecimento. Basta calcular sua potência corretamente, para que ela funcione efetivamente por muitos anos.

E o que você pensa sobre a eficiência e a viabilidade do uso de bombas de calor “ar-ar”? Compartilhe sua opinião, deixe comentários sobre o uso dos equipamentos e faça perguntas. O formulário de comentários está localizado abaixo.