Bomba de calor geotérmica faça você mesmo para aquecimento residencial: funcionamento, projeto e montagem autônoma

É possível organizar o aquecimento e o abastecimento de água quente de uma casa particular de diferentes maneiras, por exemplo, conectando-se às redes centrais de fornecimento de gás ou convertendo os sistemas de aquecimento para o consumo de energia elétrica. Concorda?

Ou você pode montar uma bomba de calor geotérmica com as próprias mãos e usar efetivamente o calor da terra para criar condições de vida confortáveis. Sem dúvida, é um processo bastante trabalhoso, mas para quem entende pelo menos um pouco de tecnologia, não será muito difícil.

Em nosso artigo, falaremos sobre os princípios de funcionamento e os tipos de instalações geotérmicas. Explicaremos como construir você mesmo uma bomba de calor com materiais disponíveis. Além disso, no artigo você encontrará conselhos de especialistas sobre a escolha de unidades geotérmicas. E os vídeos publicados revelarão os segredos da instalação e os princípios de funcionamento das bombas de calor geotérmicas.

Como funciona a unidade geotérmica de aquecimento?

O princípio de funcionamento da bomba de calor geotérmica baseia-se na transferência de calor de uma fonte com baixo potencial de energia térmica para o fluido térmico. A terra aqui desempenha o papel de radiador no verão e é uma fonte ativa de calor na estação de inverno.

A diferença de temperatura do solo ajuda a aumentar a eficiência geral do sistema e contribui para a redução dos custos operacionais reais.

O funcionamento da bomba de calor geotérmica baseia-se em um fenômeno chamado inércia térmica. A temperatura do solo a uma profundidade de 6 metros ou mais corresponde quase exatamente à temperatura média anual do ar na região e varia muito pouco ao longo de todo o ano civil.

Na prática, o fluido de transferência de calor ativo entra na tubulação instalada no solo e aquece alguns graus ali. Em seguida, o fluido passa para a unidade de troca de calor (ou evaporador) e transfere a energia térmica acumulada para o circuito interno do sistema.

O princípio de funcionamento das instalações geotérmicas é semelhante ao dos sistemas de refrigeração. É por isso que alguns tipos de bombas de calor são usados com sucesso como aparelhos de ar-condicionado no verão, resfriando o ar em ambientes residenciais.

O refrigerante que circula no circuito externo é aquecido no evaporador, transforma-se em gás e entra no compressor. Lá, ele é comprimido sob alta pressão e fica ainda mais quente.

O gás superaquecido passa para o condensador e transfere energia térmica para o fluido de trabalho do sistema interno, responsável pelo aquecimento da casa. Após o processo, o refrigerante, que perdeu calor, retorna ao ponto inicial em estado líquido.

Quais são os tipos de instalações geotérmicas?

As bombas de calor geotérmicas diferem entre si pelo tipo de fluido de trabalho nos circuitos interno e externo da estrutura. A energia do dispositivo é obtida do solo, da água (águas subterrâneas ou um corpo d'água natural aberto) ou do ar.

Dentro da residência, o recurso térmico é utilizado para aquecer os ambientes, aquecer a água e climatizar o ar. Dependendo da combinação dos elementos e funções utilizados, os sistemas são classificados nos tipos: «solo-água», «água-água» e «ar-água».

Opção nº 1. Montagem com a tecnologia “terra-água”

A bomba de calor «solo-água» – é uma das opções mais eficientes de aquecimento alternativo para residências. O seu princípio de funcionamento consiste em extrair, por meio de sondas ou coletores, a energia térmica do solo e transferi-la para o sistema de aquecimento doméstico a água.

As bombas de calor geotérmicas «solo-água» – são dispositivos progressivos de alta tecnologia. Elas se destacam pela excepcional confiabilidade e apresentam alto nível de eficiência (COP). Não exigem intervenção constante dos proprietários em seu funcionamento, mas necessitam de manutenção profissional.

Para implementar a tecnologia, utiliza-se uma instalação especial composta por um trocador de calor geotérmico, colocado abaixo da profundidade de congelamento real do solo, e pela própria bomba de calor, que funciona como um refrigerador, mas ao contrário (ciclo reverso de Carnot).

Como funciona o dispositivo

O sistema «solo-água», que aquece as residências por meio do calor renovável produzido pelo solo, funciona de acordo com o seguinte algoritmo:

1. O fluido de trabalho (salmoura ou anticongelante), que circula pelo circuito geotérmico, absorve a temperatura do solo e, através de uma bomba, é enviado ao trocador de calor – evaporador. Lá, ele transfere o calor coletado ao freon, e, tornando-se 2-5°C mais frio, retorna ao ponto inicial.
2. O freon enriquecido com energia térmica evapora e, em estado gasoso, entra no compressor. Lá, a temperatura do gás aumenta devido à compressão e forma-se condensado.
3. A energia térmica é transferida para o fluido de trabalho no sistema de aquecimento doméstico, e o freon volta ao estado líquido. Sua pressão cai após passar pela válvula de expansão do sistema, e o refrigerante retorna ao evaporador para absorver mais uma porção de recurso.

Como resultado deste procedimento, o volume de energia térmica retirada do solo e transferida para o sistema de aquecimento de uma casa residencial excede em mais de 4 vezes a quantidade de eletricidade consumida para garantir o funcionamento correto do conjunto do compressor, da bomba de circulação e da unidade de controle.

Mistura de glicol com boa viscosidade, água com álcool ou solução salina – esses são os líquidos anticongelantes usados no sistema 'solo-água'. Eles são ecologicamente seguros, absorvem calor de forma eficiente e o transportam para a estação de bombeamento.

Um bônus adicional é que o sistema pode funcionar ao contrário, ou seja, para resfriamento. É verdade que a perda de eficiência chega a 20%, mas isso é considerado justificado, dada a alta capacidade de aquecimento do equipamento.

Opções de instalação de sistemas 'solo-água'

Para criar o circuito externo do sistema 'solo-água', são utilizados tubos poliméricos de alta resistência, com boas características operacionais. Eles são colocados horizontalmente, no fundo de uma escavação, de maneira semelhante à instalação de sistemas de 'piso aquecido'.

A bomba de calor 'solo-água' é confiável, eficiente e silenciosa, mas sua instalação é cara e demorada (pelo menos 1 mês para obras de construção, montagem e ajustes). Esse ponto deve ser levado em consideração antes de escolher um sistema de aquecimento desse tipo.

Na instalação, a área utilizada é de 25-50 m² para cada quilowatt individual de potência da bomba instalada. A profundidade da escavação é escolhida abaixo da linha de congelamento, e as dimensões exatas e o espaçamento dos tubos são determinados por cálculo adicional.

Para proprietários de grandes terrenos que escolheram uma bomba de calor geotérmica do tipo 'solo-água' para aquecer a casa, é aconselhável instalar coletores horizontais. Para proprietários de pequenos terrenos, a instalação de sondas profundas é mais adequada, pois elas penetram profundamente no solo e não 'consomem' a área útil perto da casa.

As áreas onde as comunicações dos sistemas geotérmicos 'solo-água' são instaladas não são mais usadas para fins agrícolas. Nelas, pode-se criar um belo gramado ou um canteiro com plantas anuais floridas.

A instalação vertical é muito mais problemática e requer o uso de equipamento profissional. No local, uma sonda de perfuração é usada para perfurar um poço de 20 a 150 m de profundidade, onde uma sonda geotérmica especial é baixada e conectada à bomba que fornece o fluido de trabalho ao sistema de aquecimento da casa.

A sonda vertical para o sistema geotérmico 'terra-água' consiste em uma cabeça com tubos conectados. Ela é inserida em um poço com profundidade de 18 m ou mais. O número exato de poços e sondas, a profundidade de imersão necessária e o diâmetro real da tubulação são calculados separadamente para cada caso particular, com base nas informações obtidas da prospecção geológica realizada por especialistas no local.

Os tubos da sonda que partem dos poços perfurados entram em um poço coletor. Dele, duas linhas principais (de abastecimento e retorno) vão para a bomba de calor, equipadas com isolamento térmico. O diâmetro da linha principal depende do volume total do sistema e do ambiente a ser aquecido. Às vezes, os parâmetros atingem 160 mm.

De acordo com cálculos aproximados, para aquecer uma casa residencial de cerca de 100 m², serão necessários cerca de 7,5 kWh de energia. Nesse caso, as sondas verticais para o sistema de aquecimento 'terra-água' teriam que ser baixadas no solo a 110-115 metros, ou ocupar 250 m² do terreno adjacente para comunicações horizontais (+).

Devido ao fato de que em profundidade a temperatura do solo é sempre mais alta e mais estável devido à influência do núcleo terrestre, o método vertical de instalação do sistema de aquecimento é considerado o mais eficiente. Ele demonstra um alto nível de eficiência (COP) e funciona de forma confiável por muitos anos, sem falhas ou quebras.

Opção nº 2. Particularidades das bombas de calor “água-água”

O sistema geotérmico 'água-água' utiliza a energia térmica do recurso hídrico. Isso é possível porque, em grandes profundidades, a temperatura da água, assim como a do solo, permanece bastante elevada e mantém índices estáveis constantes durante todo o ano.

Para montar o sistema 'água-água' e obter energia térmica de baixo potencial, podem ser usados corpos d'água abertos (lagos, rios), poços, furos e até águas residuais de ciclos tecnológicos de produção industrial (abastecimento de água do tipo reverso).

Não há diferença construtiva fundamental entre a bomba de calor 'solo-água' e 'água-água'. No entanto, o sistema montado com base em um corpo d'água aberto exige os menores custos financeiros e de mão de obra. Para a instalação, não são necessárias operações de perfuração em grande escala.

O material do tubo com o fluido de transferência de calor é simplesmente equipado com um peso, imerso na água e conectado ao sistema de aquecimento doméstico por meio de comunicações de conexão.

No entanto, essa opção só é possível quando o terreno está adjacente à água e todas as partes de comunicação do sistema estão sob o controle dos proprietários. Se não houver acesso a um corpo d'água aberto, utiliza-se o potencial das águas subterrâneas.

É verdade que isso implica em trabalhos de terraplenagem sérios e na construção de estruturas complexas, como um poço adicional para descarregar a água que passa pelo conjunto de troca de calor.

Ao instalar uma bomba de calor água-água, são construídos não um, mas dois poços. Através de um, a água de trabalho é coletada e, após passar pelo trocador de calor, é direcionada para o segundo, que está localizado na direção do fluxo das águas subterrâneas. Durante a instalação, é necessário considerar que o poço receptor deve ficar a pelo menos 6 metros de distância do poço de captação e estar obrigatoriamente rio abaixo.

Geralmente, as instalações do tipo águ-água são montadas onde não é possível conectar as redes centrais ou usar outros tipos de fluidos térmicos.

Especialistas afrmam que o aquecimento alternativo dessse tipo é extremamente eficaz em construções modernas que posSúem um índice mínimo de perda de calor.

Ao fabricar e intalar por conta própria sistems geotérmicos de aquecimento águ-água, é muito importante usar materais com alto nível de resisência à corrosão, congelamento e outras agressões do ambiente externo. Assim, o equipamento durará muito tempo e não causará problems ao proprietário.

Se a casa for bem isolada, protegida contra correntes de ar, umidade e entrada de ar gelado, ou construída com tecnologia modernas de isolamento térmico, o custo do sistema de aquecimento diminui signifcativamente devido à posibilidade de adquirir equipametos de bombamento de potência muito menor.

Opção nº 3. Instalação de sistemas “ar-água”

A bomba de calor ar-água utilza para seu funcionameno o recuro energético natural mais acessível, ilimitado e renvável – o ar. O equipamento opera por méio de ventiladores e evapoaradores, combnados em um único conjunto.

Apresenta a maior eficência em teperaturas de até -15°C. Em condções mais severas, pere uma parte signifcativa de sua potência.

A bomba de calor ar-água é significativamente mais barata do que os modelos águ-água e sol-água. O módulo é adequado para regiões com invens relatiamente amenos. Em áreas frias do nórte, onde as geadas ultrapassam -20...25°C, a instalação de equipmetos aéreos é consderada invável.

O aparélho é extrmamente conveninte porque não exige que os propietários de casas particilares tenham equipmeos especiais para montagem e realizção de trabalhos compleos de instalação.

Não neceSSita de excavação de terra, perfuração de poços e outas atiidades trabalosas. É fácil de montar e não ocupa muito espaço. Pode funconar coretamente quando istalado no telhado de uma residência.

É possível instalar uma bomba geotérmica ar-água no terreno diretamente perto de edifícios residenciais. Ela funciona silenciosamente e tem uma aparência moderna e atraente, que não prejudica o design geral da área.

As principais vantagens do equipamento incluem operação praticamente silenciosa e a possibilidade de reutilizar o calor que sai do ambiente aquecido na forma de ar residual, água, gás, fumaça, etc.

Os proprietários realizam a manutenção do sistema por conta própria:

• limpam as pás do ventilador e as grades de proteção na unidade evaporadora de poeira, detritos pequenos e folhas;
• lubrificam o compressor com um composto especial indicado pelo fabricante nas instruções;
• trocam o óleo nos componentes de força (ventilador, compressor) com uma periodicidade determinada;
• verificam a integridade do cabo de força de alimentação e do tubo de cobre por onde o refrigerante circula no sistema.

Além dessas ações, os fabricantes de bombas recomendam veementemente que os clientes monitorem o estado dos sensores térmicos, que refletem o funcionamento da unidade de controle.

Eles devem ser limpos, removendo cuidadosamente a poeira e manchas de óleo da superfície. Isso prolongará a «vida» do sistema ar-ar e tornará o processo de operação mais simples e confortável.

Como fazer a unidade com as próprias mãos?

Independentemente de qual opção de recurso (terra, água ou ar) for escolhida para aquecimento, para o funcionamento correto do sistema será necessária uma bomba.

Este dispositivo é composto por elementos como:

• unidade do compressor (elemento intermediário do complexo);
• evaporador, que transfere energia de baixo potencial para o fluido de transferência de calor;
• válvula de expansão, através da qual o refrigerante encontra o caminho de volta para o evaporador;
• condensador, onde o freon libera energia térmica e é resfriado até a temperatura inicial.

Pode-se adquirir um sistema completo do fabricante, mas isso sairá por uma quantia considerável. Quando não há dinheiro disponível, vale a pena fazer a bomba de calor você mesmo com as peças disponíveis e, se necessário, comprar as peças faltantes.

Ao planejar a instalação de um sistema de aquecimento geotérmico em uma casa particular, primeiro é necessário cuidar da redução do nível de perda de calor. Para isso, as paredes devem ser isoladas com material especial, as portas e molduras das janelas devem ser equipadas com vedações de espuma, e o piso e o teto devem ser protegidos com painéis de isopor. Assim, o calor gerado pela bomba permanecerá ao máximo dentro do ambiente.

Quando a decisão de fabricar a bomba de calor por conta própria é tomada, é necessário verificar o estado da fiação elétrica e do medidor de eletricidade existentes na casa.

Se esses elementos estão desgastados e antigos, é necessário inspecionar todas as áreas, detectar possíveis falhas e eliminá-las antes mesmo do início dos trabalhos. Assim, o sistema funcionará perfeitamente logo após a inicialização e não incomodará os proprietários com curtos-circuitos, queima de fiação e desarme de disjuntores.

Método nº 1. Montagem a partir de um refrigerador

Para montar uma bomba de calor caseira, remove-se a serpentina localizada atrás de uma geladeira velha. Essa peça é usada como condensador e colocada em um recipiente de alta resistência, tolerante a temperaturas agressivas. Nela, fixa-se um compressor em bom funcionamento, e como evaporador utiliza-se um simples tambor de plástico.

Se a bomba for feita com uma geladeira muito antiga, é melhor substituir o freon por um novo. Isso não pode ser feito por conta própria, então será necessário chamar um técnico com equipamento especial. Ele substituirá rapidamente o fluido de trabalho e o sistema funcionará no modo desejado.

Os elementos preparados são conectados entre si e, em seguida, a unidade criada é conectada ao sistema de aquecimento por meio de tubos de polímero, e o equipamento começa a ser utilizado.

As instruções passo a passo para montar uma bomba de calor a partir de uma geladeira estão descritas neste artigo.

Método nº 2. Bomba de calor a partir de um ar-condicionado

Para fazer uma bomba de calor, o ar-condicionado é modificado e alguns componentes principais são reorganizados. Primeiro, as unidades externa e interna são trocadas de lugar.

O evaporador, responsável pela transferência de calor de baixo potencial, não é instalado adicionalmente, pois já está presente na unidade interna do aparelho, enquanto o condensador, que transfere energia térmica, está na unidade externa. Como meio de transferência de calor, tanto o ar quanto a água são adequados.

Se esta opção de montagem não for conveniente, o condensador é instalado em um tanque separado, destinado à troca térmica adequada entre o recurso de aquecimento e o fluido de transferência de calor.

O próprio sistema é equipado com uma válvula de quatro vias. Para este trabalho, geralmente se contrata um especialista com habilidades profissionais e experiência em realizar esse tipo de procedimento.

Os sistemas split modernos são pouco eficientes em baixas temperaturas, por isso os profissionais não recomendam usá-los para fabricação caseira de bombas de calor.

Na terceira opção, o ar-condicionado é completamente desmontado em peças componentes, e então a bomba é montada a partir delas seguindo o esquema tradicional: evaporador, compressor, condensador. O dispositivo pronto é conectado ao equipamento de aquecimento da casa e começa a ser usado.

No site há uma série de artigos sobre fabricação de bombas de calor caseiras, recomendamos que você confira:

1. Como fazer uma bomba de calor para aquecimento doméstico com as próprias mãos: princípio de funcionamento e esquemas de montagem
2. Como fazer uma bomba de calor ar-água: esquemas do dispositivo e montagem caseira

Dicas para escolher o sistema

A montagem de equipamentos do tipo 'solo-água' é mais cara do que todas as outras opções, pois exige trabalhos de escavação profunda para instalação vertical ou uma grande área livre do terreno para a colocação horizontal das tubulações.

Esses parâmetros limitam o uso do sistema e reduzem significativamente sua atratividade.

A instalação de uma bomba 'água-água' também tem algumas limitações. Se houver um corpo d'água acessível próximo, o sistema pode ser instalado nele. A ausência de águas abertas implicará a perfuração de poços e poços de drenagem, o que também não sai barato.

A bomba 'ar-água' não apresenta problemas de instalação e pode funcionar corretamente até mesmo em edifícios de apartamentos, mas em invernos rigorosos com baixas temperaturas sua eficiência diminui e, para mantê-la, é necessária uma fonte de energia paralela.

No entanto, a instalação de aquecimento geotérmico acaba por recuperar seus custos e começa a gerar recursos gratuitos, permitindo que os proprietários vivam nas condições mais convenientes, agradáveis e confortáveis, sem gastar grandes quantias em serviços públicos.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo, é mostrado claramente como, em uma grande casa de bloco de silicato de gás, foi instalado um sistema de aquecimento baseado em equipamento térmico geotérmico 'ar-água'. Algumas nuances interessantes sobre a instalação do equipamento são reveladas e os valores reais das contas de serviços públicos de um mês são divulgados.

Como funciona o equipamento 'solo-água'. Descrição detalhada de um especialista em instalação de caldeiras geotérmicas, recomendações e dicas úteis para artesãos domésticos de um profissional.

Um usuário real do equipamento compartilha suas impressões sobre a bomba de calor geotérmica.

Um serralheiro profissional conta como fazer uma bomba de calor em casa usando um compressor potente e peças de trocador de calor tubulares. Instruções detalhadas passo a passo.

A bomba geotérmica para aquecimento de uma residência particular é uma forma bem-sucedida de criar condições de vida confortáveis, mesmo onde não há sistemas de comunicação centralizados e fontes de energia mais convencionais.

A escolha do sistema depende da localização territorial do imóvel e das possibilidades financeiras dos proprietários.

Você tem experiência na fabricação de uma bomba de calor geotérmica? Por favor, compartilhe informações com nossos leitores, sugira sua própria opção de montagem. Você pode deixar comentários e anexar fotos de seus projetos caseiros no formulário abaixo.