Nesse contexto, as tecnologias de bomba de calor podem ajudar a economizar recursos energéticos e reduzir essas emissões de gases de efeito estufa.
As Diretivas Europeias relacionadas com a utilização de energias renováveis e com o Desempenho Energético dos Edifícios (EPBD) mencionam as bombas de calor como uma tecnologia amiga do ambiente para reduzir o consumo de energia.
Existem diferentes tecnologias de bomba de calor e essas tecnologias aplicam-se a diferentes aplicações, tipos de edifícios e cargas.
Este artigo concentra-se em equipamentos de compressão mecânica usados para aquecimento e arrefecimento em edifícios comerciais, bem como em aplicações como centros de dados e aquecimento urbano.
Uma bomba de calor é definida pela ASHRAE como, “... um sistema de aquecimento/refrigeração para transferência de calor, ” (1) com a direção da transferência de calor podendo ser reversível".
Com base nesta definição simples e dependendo da aplicação, uma bomba de calor pode ser empregada como aquecedor se o objetivo for aquecer um local ou como arrefecedor se o objetivo for arrefecer.
Em ambos os casos, os princípios de funcionamento são semelhantes, o calor é movido de um local frio para um local quente.
a. Os componentes e o ciclo de refrigeração
Um sistema básico de refrigerante tem quatro componentes principais:
• Dois permutadores de calor (o evaporador e o condensador)
• Um compressor
• Um dispositivo de expansão (ver figura 1).
Figura 1. Ciclo básico de refrigeração por compressão.
A. O evaporador é um Permutador de calor no qual o refrigerante absorve calor e ferve para se tornar um vapor de baixa temperatura.
B. O compressor pressuriza o gás refrigerante, aumentando a pressão e a temperatura do refrigerante.
C. O condensador é um permutador no qual o refrigerante cede seu calor e se torna um líquido.
D. A válvula de expansão é um dispositivo que diminui a pressão criada pelo compressor e faz com que a pressão e a temperatura caiam. Após o dispositivo de expansão, o refrigerante torna-se uma mistura de vapor / líquido em baixa pressão e temperatura.
b. Termodinâmica para o processo de refrigeração
Vamos examinar o gráfico de pressão-entalpia. Este gráfico representa as propriedades de um refrigerante - pressão versus entalpia.
A entalpia é uma medida da quantidade de calor por quilograma de refrigerante. O gráfico inclui uma curva que indica quando o refrigerante existe como um líquido (sub-arrefecido) (à esquerda do da curva), uma mistura de líquido e vapor (dentro da curva), ou um vapor (superaquecido) (para à direita da curva).
O refrigerante entra no evaporador como um refrigerante de baixa pressão mistura de líquido e vapor. (A). Ele absorve calor - da fonte de calor (ar ou água relativamente quente) para ser arrefecido – e ferve (B). O vapor frio de baixa pressão é então bombeado do evaporador pelo compressor (C). Isso aumenta a pressão e a temperatura do vapor do refrigerante. O vapor refrigerante quente resultante de alta pressão entra no condensador, onde rejeita o calor para o ar ambiente ou água que está em uma temperatura mais baixa e se condensa em líquido. (D)
c. Tipos de bomba de calor
Os tipos de bombas de calor e tecnologias utilizadas são versáteis e a seleção adequada depende da aplicação.Para aplicações comerciais de HVAC, três tipos de sistema de bomba de calor são geralmente usados.
c.1 O sistema de bomba de calor de fonte de ar
O mais comum é a bomba de calor ar-água. Ele extrai o calor do ar ambiente e, em seguida, transfere esse calor para o sistema de distribuição do edifício por meio de um permutador de calor de água. Este tipo de sistema é muitas vezes reversível, o que significa que a bomba de calor transfere o calor do ar exterior para o edifício durante a época de aquecimento e arrefece o edifício e rejeita o calor exterior durante o período de refrigeração.
Nota: Os modelos de bombas de calor reversíveis estão equipados com uma válvula reversível que permite inverter o ciclo do refrigerante. (O evaporador se torna o condensador e vice-versa).
c.2 O sistema de bomba de calor água-água
O princípio de funcionamento é o mesmo, mas em vez de tirar o calor do ar, ele tira o calor da água. A fonte de aquecimento utilizada pode ser aquífero, rio, lago, mar ou simplesmente um edifício que necessite de arrefecimento. Este tipo de bomba de calor é frequentemente considerado um Chiller que fornece calor de seu condensador como sua função principal.
c.3 O último tipo é a bomba de calor para uso simultâneo de aquecimento e resfriamento
Este tipo, muitas vezes referido como uma unidade de quatro tubos, funciona em modo de aquecimento ou resfriamento como os modelos tradicionais de bomba de calor, mas também produz simultaneamente água quente e fria para satisfazer as demandas térmicas do edifício. As unidades de tubos múltiplos são populares em edifícios como teatros, centros de fitness, etc., onde as necessidades simultâneas de aquecimento e refrigeração são frequentes.
Este refrigerante líquido flui do condensador para o dispositivo de expansão. O dispositivo de expansão cria uma queda de pressão que reduz a pressão do refrigerante para a do evaporador. Nesta baixa pressão, uma pequena porção do refrigerante evapora, arrefecendo o refrigerante líquido restante até a temperatura do evaporador. (A) A mistura fria do refrigerante líquido e vapor viaja para o evaporador, onde absorve o calor e ferve, repetindo o ciclo.
d. Refrigerantes
Na Europa, a regulamentação do F gás foi adotada para reduzir as emissões de gases fluorados com efeito de estufa HFCs como o R-134a com alto potencial de aquecimento global (PAG), serão progressivamente eliminados e substituídos por novos refrigerantes com valores de PAG muito baixos. A introdução no mercado de novos refrigerantes de baixo PAG, como o R1234ze (substituto do R134a), torna a tecnologia de bomba de calor ainda mais benéfica. Quando utilizado em bombas de calor água-água, devido às características termodinâmicas do refrigerante, é possível obter temperaturas de aquecimento mais elevadas mantendo pressões equivalentes ao R134a. Embora as características das unidades sejam ligeiramente diferentes, o R1234ze é um refrigerante adequado para aplicações de bomba de calor em sistemas de bomba de calor água-água. Os sistemas ar-água têm diferentes faixas de operação e restrições. Se exigem temperaturas de evaporação muito baixas (negativas) e R1234ze não será possível para uso em tais sistemas.
e. Eficiência energética da bomba de calor
O desempenho de uma bomba de calor é geralmente expresso como o coeficiente de desempenho (COP). O COP é um número adimensional. É definida como a relação entre a quantidade de energia transferida para o sistema (produção de calor) e a energia necessária para fazer essa transferência (energia utilizada para operar o compressor e alguns auxiliares). Quanto maior o COP, mais eficiente é a bomba de calor. O COP de uma bomba de calor aumenta quando a temperatura da fonte fria é alta e/ou a temperatura da fonte quente é baixa. Para possibilitar as comparações, o COP nominal das bombas de calor apresentadas nos catálogos dos fabricantes é definido de acordo com condições específicas. No entanto, durante uma estação de aquecimento, a temperatura das fontes varia e o COP nominal não reflete a eficiência do equipamento na aplicação específica. Para expressar o desempenho de uma bomba de calor durante uma estação de aquecimento, referimo-nos ao Coeficiente de Desempenho Sazonal (SCoP), que fornece o desempenho do equipamento durante uma estação típica. Isso também é conhecido como FPS (fator de desempenho sazonal), conforme definido nas normas EN 15450 e EN 15316-4-2.
Cada edifício é único. A magnitude das necessidades de aquecimento e arrefecimento num edifício depende do tipo de edifício e do uso do edifício e varia por região de acordo com o clima.
Nos países do norte da Europa, a maior parte da energia do edifício é usada para aquecimento de água e espaço doméstico, enquanto a energia usada para o arrefecimento é geralmente baixa. Nos países do sul da Europa, as necessidades de refrigeração são mais significativas e as necessidades de aquecimento geralmente menores.
A tecnologia selecionada e o dimensionamento do equipamento para satisfazer essas necessidades dependem não só dos perfis anuais de aquecimento e refrigeração, mas também do preço da eletricidade, da disponibilidade e preços de outras fontes de energia, da complexidade do sistema e da eficiência do sistema completo (e não apenas do equipamento).
Quando existem as necessidades simultâneas de arrefecimento e aquecimento no edifício, muitas vezes é econômica e ambientalmente vantajoso considerar o uso de bombas de calor e/ou unidades de quatro tubos em vez de sistemas tradicionais que usam chillers e caldeiras.
Em climas mais frios, as necessidades de aquecimento do edifício são frequentemente muito maiores do que as necessidades de refrigeração.
Com a diminuição da temperatura ambiente, a necessidade de calor do edifício aumenta e a capacidade das bombas de calor diminui. Como resultado, o COP diminui e o consumo elétrico da bomba de calor aumenta.
Se a temperatura ambiente cair abaixo de 5 ° C, forma-se gelo na superfície da bateria de calor de ar. Isso degrada ainda mais o desempenho da unidade e leva à paragem do equipamento se nada for feito para descongelar o permutador de calor.
Em regiões com temperaturas externas muito baixas, as bombas de calor são frequentemente combinadas com um sistema de aquecimento auxiliar (geralmente uma caldeira). Isso é chamado de sistemas híbridos e, dependendo do projeto do sistema, a necessidade de calor pode ser parcialmente ou totalmente coberta pelo sistema de aquecimento auxiliar.
(Note-se que esta secção considera apenas o sistema de aquecimento).
Sistema apenas com bombas de calor
As bombas de calor sozinhas fornecem a potência de aquecimento necessária e o sistema de bombas de calor deve ser projetado para a necessidade de aquecimento máxima.
Especial atenção deve ser dada ao dimensionamento do armazenamento para evitar arranques muito frequentes e flutuações excessivas de temperatura do sistema. Sequenciar este sistema é simples.
É importante notar que em caso de falha da bomba de calor, outra fonte de aquecimento está disponível neste tipo de sistema.
Neste sistema, a bomba de calor precisa apenas satisfazer parcialmente o pedido de aquecimento. A bomba de calor fornece a potência de aquecimento durante a estação intermédia. Durante o período de inverno, o calor é parcial ou totalmente fornecido pela caldeira.
Dependendo do projeto e do tamanho do equipamento, diferentes modos de operação são possíveis e o equipamento pode ser usado independentemente ou em conjunto.
1. Modo de operação exclusivo
No modo “exclusivo” funciona a bomba de calor ou a caldeira e não funcionam em simultâneo. A bomba de calor funciona sozinha quando a temperatura do ar externo não é muito baixa. Quando a temperatura do ar exterior diminui e a necessidade de aquecimento aumenta, a bomba de calor é desligada e a caldeira é ativada.
Sistema com bomba de calor e caldeira Modo Exclusivo.
2. Modo de operação simultâneo
Neste modo, a bomba de calor e a caldeira funcionam em conjunto para satisfazer a procura de aquecimento. A caldeira é habilitada quando a capacidade da bomba de calor não é suficiente para cobrir a demanda de aquecimento. A caldeira deve ser dimensionada para satisfazer a demanda de calor não coberta pela bomba de calor.
3. Modo de operação combinado
Uma combinação entre os dois modos anteriores também é possível.
Como no modo anterior, a bomba de calor é habilitada primeiro, depois a bomba de calor e a caldeira são operadas em conjunto para satisfazer o pedido de aquecimento até que seja benéfico operar apenas a caldeira.
Quando a temperatura do ar externo diminui e a bomba de calor perde eficiência, ela é parada e as necessidades são totalmente cobertas pela caldeira.
A escolha do modo de operação depende do projeto do sistema e da capacidade do equipamento. A comutação entre as diferentes capacidades de produção (bomba de calor e caldeira) pode ser feita simplesmente de acordo com a temperatura do ar exterior. No entanto, a otimização desses pontos de comutação depende de vários parâmetros, incluindo eficiência da bomba de calor, custos de energia, mudanças na necessidade de aquecimento, etc.
Os exemplos acima são mostrados com bombas de calor refrigeradas a ar. Existe uma grande diversidade de bombas de calor e a escolha de modelos (ar/água, água/água ou quatro tubod) e a aplicação adequada depende de muitos parâmetros. Somente um estudo e análise detalhados podem definir as melhores soluções e quantificar a economia potencial. O projeto apropriado da tubagem de água, a seleção correta dos componentes do sistema e os sistemas de controle adequados também são necessários para atingir a economia esperada e os resultados operacionais.
14/04/2025
07/04/2025
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