Bomba de calor de fonte de ar - Air source heat pump
Uma bomba de calor de fonte de ar (ASHP) é uma bomba de calor reversível que usa o ar externo como uma fonte de calor quando em modo de aquecimento, ou como um dissipador de calor quando em modo de resfriamento usando o mesmo processo de refrigeração por compressão de vapor e o mesmo trocador de calor externo com um ventilador usado por condicionadores de ar .
As bombas de calor ar-ar são dispositivos mais simples e fornecem ar quente ou frio diretamente para um ou dois espaços internos. Em contraste, as bombas de calor ar / água utilizam radiadores e / ou piso radiante para aquecer ou arrefecer toda a casa e muitas vezes também são utilizadas para fornecer água quente sanitária. Quando especificado corretamente, um ASHP pode oferecer uma solução completa de aquecimento central e água quente sanitária até 80 ° C (176 ° F).
Descrição
O ar em qualquer temperatura acima do zero absoluto contém alguma energia. Uma bomba de calor com fonte de ar transfere parte dessa energia como calor de um lugar para outro, por exemplo, entre o exterior e o interior de um edifício. Isso pode fornecer aquecimento ambiente e água quente. Um único sistema pode ser projetado para transferir calor em qualquer direção, para aquecer ou resfriar o interior do edifício no inverno e no verão, respectivamente. Para simplificar, a descrição abaixo se concentra no uso para aquecimento interno.
A tecnologia é semelhante a um refrigerador ou freezer ou unidade de ar condicionado: o efeito diferente é devido à localização física dos diferentes componentes do sistema. Assim como os canos na parte de trás de uma geladeira esquentam conforme o interior esfria, um ASHP aquece o interior de um edifício enquanto resfria o ar externo.
Os principais componentes de uma bomba de calor de fonte de ar são:
- Uma bobina do trocador de calor externo , que extrai calor do ar ambiente
- Uma serpentina do trocador de calor interno, que transfere o calor para dutos de ar quente, um sistema de aquecimento interno, como radiadores cheios de água ou circuitos subterrâneos e um tanque de água quente doméstica.
As bombas de calor de fonte de ar podem fornecer aquecimento ambiente de baixo custo. Uma bomba de calor de alta eficiência pode fornecer até quatro vezes mais calor do que um aquecedor de resistência elétrica usando a mesma quantidade de eletricidade. O custo de vida de uma bomba de calor de fonte de ar será afetado pelo preço da eletricidade em comparação com o gás (quando disponível). A queima de gás ou óleo emitirá dióxido de carbono e também dióxido de nitrogênio, que pode ser prejudicial à saúde. Uma bomba de calor com fonte de ar não emite dióxido de carbono, óxido de nitrogênio ou qualquer outro tipo de gás. Ele usa uma pequena quantidade de eletricidade para transferir uma grande quantidade de calor: a eletricidade pode ser de uma fonte renovável ou pode ser gerada a partir de usinas que queimam combustível fóssil.
Uma bomba de calor de fonte de ar doméstico "padrão" pode extrair calor útil até cerca de -15 ° C (5 ° F). Em temperaturas externas mais frias, a bomba de calor é menos eficiente; ele pode ser desligado e as instalações aquecidas usando apenas calor suplementar (ou calor de emergência) se o sistema de aquecimento suplementar for grande o suficiente. Existem bombas de calor especialmente projetadas que, embora abram mão de algum desempenho no modo de resfriamento, fornecerão extração de calor útil para reduzir ainda mais as temperaturas externas.
Em algumas condições climáticas, a condensação se formará e então congelará nas bobinas do trocador de calor da unidade externa, reduzindo o fluxo de ar através das bobinas. Para limpar isso, a unidade opera um ciclo de degelo, mudando para o modo de resfriamento por alguns minutos, aquecendo as serpentinas até o gelo derreter. As bombas de calor ar-água usam o calor da água em circulação para esse fim, o que resulta em uma pequena e provavelmente indetectável queda na temperatura da água; Para sistemas ar-ar, o calor é retirado do ar no prédio ou usando um aquecedor elétrico.
Em climas frios
Uma bomba de calor de fonte de ar projetada especificamente para climas muito frios pode extrair calor útil do ar ambiente tão frio quanto −30 ° C (−22 ° F). Isso é possível pelo uso de compressores de velocidade variável e os fabricantes incluem Mitsubishi e Fujitsu. Um modelo Mitsubishi fornece calor a −35 ° C, mas o coeficiente de desempenho (COP) cai para 0,9, indicando que o aquecimento por resistência seria mais eficiente nessa temperatura. A −30 ° C, o COP é 1,1, de acordo com os dados do fabricante (a literatura de marketing do fabricante também afirma um COP mínimo de 1,4 e desempenho de −30 ° C). Embora as bombas de calor de fonte de ar sejam menos eficientes do que bombas de calor de fonte de solo bem instaladas em condições frias, as bombas de calor de fonte de ar têm custos iniciais mais baixos e podem ser a escolha mais econômica ou prática.
Um estudo da Natural Resources Canada descobriu que as bombas de calor com fonte de ar de clima frio (CC-ASHPs) funcionam nos invernos canadenses, com base em testes em Ottawa ( Ontário ) no final de dezembro de 2012 ao início de janeiro de 2013 usando um CC-ASHP canalizado. (O relatório não declara explicitamente se as fontes de calor de reserva devem ser consideradas para temperaturas abaixo de −30 ° C. O recorde de Ottawa é de −36 ° C.) O CC-ASHP proporcionou 60% de economia de energia em comparação com o gás natural (em energia unidades). Ao considerar a eficiência energética na geração de eletricidade, no entanto, mais energia seria usada com o CC-ASHP, em relação ao aquecimento a gás natural, em províncias ou territórios ( Alberta , Nova Escócia e Territórios do Noroeste ) onde a geração a carvão era o método predominante de geração de eletricidade. (A economia de energia em Saskatchewan foi marginal. Outras províncias usam principalmente hidrelétrica e / ou geração nuclear.) Apesar da economia significativa de energia em relação ao gás nas províncias que não dependem principalmente do carvão, o custo mais alto da eletricidade em relação ao gás natural (usando o varejo de 2012 preços em Ottawa, Ontário) tornaram o gás natural a fonte de energia mais barata. (O relatório não calculou o custo de operação na província de Quebec , que tem tarifas de eletricidade mais baixas, nem mostrou o impacto das tarifas de eletricidade por tempo de uso.) O estudo descobriu que em Ottawa um CC-ASHP custa 124% a mais operar do que o sistema de gás natural. No entanto, em áreas onde o gás natural não está disponível para os proprietários de residências, é possível obter uma economia de 59% nos custos de energia em relação ao aquecimento com óleo combustível. O relatório observou que cerca de 1 milhão de residências no Canadá (8%) ainda são aquecidas com óleo combustível. O relatório mostra uma economia de custo de energia de 54% para CC-ASHPs em relação ao aquecimento por resistência elétrica da placa de base. Com base nessas economias, o relatório mostrou um retorno financeiro de cinco anos para a conversão de óleo combustível ou aquecimento elétrico por resistência de placa de base para CC-ASHP. (O relatório não especificou se esse cálculo considerou a possível necessidade de uma atualização do serviço elétrico no caso de conversão de óleo combustível. Presumivelmente, nenhuma atualização do serviço elétrico seria necessária na conversão de calor de resistência elétrica.) O relatório observou maiores flutuações em temperatura ambiente com a bomba de calor devido aos seus ciclos de degelo.
Uso
As bombas de calor de fonte de ar são usadas para fornecer aquecimento e resfriamento de ambientes internos, mesmo em climas mais frios, e podem ser usadas com eficiência para aquecimento de água em climas mais amenos. Uma grande vantagem de alguns ASHPs é que o mesmo sistema pode ser usado para aquecimento no inverno e resfriamento no verão. Embora o custo de instalação seja geralmente alto, é menor que o custo de uma bomba de calor de fonte subterrânea , porque uma bomba de calor de fonte subterrânea requer escavação para instalar seu loop de aterramento. A vantagem de uma bomba de calor de fonte subterrânea é que ela tem acesso à capacidade de armazenamento térmico do solo que lhe permite produzir mais calor com menos eletricidade em condições de frio.
As ASHPs às vezes são emparelhados com sistemas de aquecimento auxiliares ou de emergência para fornecer aquecimento de backup quando as temperaturas externas são muito baixas para que a bomba funcione de forma eficiente ou no caso de mau funcionamento da bomba. Como os ASHPs têm altos custos de capital e a eficiência cai conforme a temperatura diminui, geralmente não é econômico dimensionar um sistema para o cenário de temperatura mais frio possível, mesmo se um ASHP pudesse atender a todos os requisitos de calor nas temperaturas mais frias esperadas. Fornos de propano , gás natural, óleo ou pellet podem fornecer esse calor suplementar.
Os sistemas de backup totalmente elétricos têm um forno elétrico ou aquecimento por resistência elétrica, ou calor por faixa, que normalmente consiste em fileiras de bobinas elétricas que aquecem. Um ventilador sopra sobre as bobinas aquecidas e circula o ar quente por toda a casa. Isso serve como uma fonte de aquecimento adequada, mas à medida que as temperaturas caem, os custos com eletricidade aumentam. As interrupções no serviço elétrico representam a mesma ameaça que os sistemas centrais de ar forçado e as caldeiras com bomba, mas fogões a lenha e inserções de lareira não elétrica podem mitigar esse risco. Alguns ASHPs podem ser acoplados a painéis solares como fonte de energia primária, com uma rede elétrica convencional como fonte de backup.
As soluções de armazenamento térmico que incorporam aquecimento por resistência podem ser usadas em conjunto com ASHPs. O armazenamento pode ser mais econômico se as taxas de eletricidade por tempo de uso estiverem disponíveis. O calor é armazenado em tijolos de cerâmica de alta densidade contidos em um invólucro isolado termicamente; aquecedores de armazenamento são um exemplo. Os ASHPs também podem ser combinados com aquecimento solar passivo . A massa térmica (como concreto ou pedras) aquecida por calor solar passivo pode ajudar a estabilizar as temperaturas internas, absorvendo calor durante o dia e liberando calor à noite, quando as temperaturas externas são mais frias e a eficiência da bomba de calor é menor.
A seção externa em algumas unidades pode 'congelar' quando há umidade suficiente no ar e a temperatura externa está entre 0 ° C e 5 ° C (32 ° F a 41 ° F). Isso restringe o fluxo de ar pela bobina externa. Essas unidades empregam um ciclo de degelo em que o sistema muda temporariamente para o modo de 'resfriamento' para mover o calor da casa para a serpentina externa para derreter o gelo. O ciclo de degelo reduz significativamente a eficiência da bomba de calor, embora os sistemas mais novos (de demanda) sejam mais inteligentes e precisem descongelar menos. À medida que as temperaturas caem abaixo de zero, a tendência de congelamento da seção externa diminui devido à redução da umidade do ar.
É difícil adaptar os sistemas de aquecimento convencionais que usam radiadores / painéis radiantes, aquecedores de rodapé de água quente ou dutos de diâmetro ainda menor, com calor proveniente do ASHP. As temperaturas mais baixas de saída da bomba de calor significariam que os radiadores teriam que ser aumentados em tamanho ou um sistema de aquecimento por piso radiante de baixa temperatura seria instalado em seu lugar. Alternativamente, uma bomba de calor de alta temperatura pode ser instalada e os emissores de calor existentes podem ser retidos.
Tecnologia
O aquecimento e o resfriamento são realizados bombeando um refrigerante pelas serpentinas internas e externas da bomba de calor. Como em uma geladeira, um compressor , condensador , válvula de expansão e evaporador são usados para alterar os estados do refrigerante entre os estados de líquido mais frio e gás mais quente .
Quando o refrigerante líquido em baixa temperatura e baixa pressão passa pelas bobinas do trocador de calor externo, o calor ambiente faz com que o líquido ferva (mude para gás ou vapor ): a energia térmica do ar externo foi absorvida e armazenada no refrigerante como latente calor . O gás é então comprimido por meio de uma bomba elétrica; a compressão aumenta a temperatura do gás.
Dentro do prédio, o gás passa por uma válvula de pressão para as bobinas do trocador de calor. Lá, o gás refrigerante quente condensa de volta a um líquido e transfere o calor latente armazenado para o ar interno, aquecimento de água ou sistema de água quente. O ar interno ou água de aquecimento é bombeado através do trocador de calor por uma bomba elétrica ou ventilador .
O refrigerante líquido frio entra novamente nas bobinas do trocador de calor externo para iniciar um novo ciclo.
A maioria das bombas de calor também pode operar em um modo de resfriamento, onde o refrigerante frio é movido através das serpentinas internas para resfriar o ar ambiente.
Avaliações de eficiência
A eficiência das bombas de calor de fonte de ar é medida pelo coeficiente de desempenho (COP). Um COP de 3 significa que a bomba de calor produz 3 unidades de energia térmica para cada 1 unidade de eletricidade que consome. Dentro de faixas de temperatura de −3 ° C a 10 ° C, o COP para muitas máquinas é razoavelmente estável em 3–3,5.
Em climas muito amenos, o COP de uma bomba de calor de fonte de ar pode ser de até 4. No entanto, em um dia frio de inverno, é mais trabalhoso mover a mesma quantidade de calor dentro de casa do que em um dia ameno. O desempenho da bomba de calor é limitado pelo ciclo de Carnot e se aproximará de 1,0 conforme a diferença de temperatura externa para interna aumenta, o que para a maioria das bombas de calor de fonte de ar acontece quando as temperaturas externas se aproximam de -18 ° C / 0 ° F. A construção da bomba de calor que permite o dióxido de carbono como refrigerante pode ter um COP superior a 2, mesmo abaixo de −20 ° C, empurrando o valor do ponto de equilíbrio para baixo a −30 ° C (−22 ° F). Uma bomba de calor de fonte subterrânea tem comparativamente menos mudança no COP à medida que as temperaturas externas mudam, porque o solo do qual extraem calor tem uma temperatura mais constante do que o ar externo.
O design de uma bomba de calor tem um impacto considerável na sua eficiência. Muitas bombas de calor de fonte de ar são projetadas principalmente como unidades de ar condicionado , principalmente para uso em temperaturas de verão. Projetar uma bomba de calor especificamente para fins de troca de calor pode atingir um COP maior e um ciclo de vida prolongado. As principais mudanças são na escala e tipo de compressor e evaporador.
As eficiências de aquecimento e resfriamento ajustadas sazonalmente são fornecidas pelo fator de desempenho sazonal de aquecimento (HSPF) e pela taxa de eficiência energética sazonal (SEER), respectivamente.
Em unidades carregadas com refrigerantes HFC , o COP é reduzido quando as bombas de calor são utilizadas para aquecer água doméstica a mais de 60 ° C ou para aquecer sistemas de aquecimento central convencionais que usam radiadores para distribuir o calor (em vez de um sistema de aquecimento por piso radiante).
Riscos e precauções
- As bombas de calor de fonte de ar convencionais perdem sua capacidade quando as temperaturas externas caem abaixo de 5 graus Celsius (cerca de 41 graus Fahrenheit). CC-ASHPs (veja acima) podem operar eficientemente em temperaturas tão baixas quanto -30C, embora possam não ser tão eficientes no resfriamento durante a temporada de verão como as bombas de calor de fonte de ar convencionais. Se uma bomba de calor com fonte de ar convencional for usada em climas mais frios, o sistema precisa de uma fonte auxiliar de calor para suplementar a bomba de calor no caso de temperaturas extremamente frias ou quando está simplesmente muito frio para que a bomba de calor funcione.
- Um sistema auxiliar de aquecimento / aquecimento de emergência, por exemplo, um forno tradicional, também é importante se a bomba de calor estiver com defeito ou sendo reparada. Em climas mais frios, as bombas de calor de sistema dividido combinadas com fornos a gás, óleo ou pellet funcionam mesmo em temperaturas extremamente baixas.
Barulho
Uma bomba de calor de fonte subterrânea não precisa de uma unidade externa com componentes mecânicos móveis: nenhum ruído externo é produzido.
Uma bomba de calor de fonte de ar requer uma unidade externa contendo componentes mecânicos móveis, incluindo ventiladores que produzem ruído. Em 2013, o Comitê Europeu de Normalização (CEN) iniciou os trabalhos sobre normas de proteção contra a poluição sonora causada por unidades externas com bomba de calor. Embora o início do Plano de Negócios CEN / TC 113 fosse que "os consumidores exigem cada vez mais uma baixa potência acústica dessas unidades, já que os usuários e seus vizinhos agora rejeitam as instalações ruidosas", nenhuma norma para barreiras acústicas ou outros meios de proteção contra o ruído foram desenvolvidos até janeiro. 2016
Nos Estados Unidos, o nível de ruído noturno permitido foi definido em 1974 como "um limite médio de exposição de 24 horas de 55 decibéis ponderados A (dBA) para proteger o público de todos os efeitos adversos sobre a saúde e o bem-estar em áreas residenciais (US EPA 1974). Este limite é um nível de ruído médio de 24 horas (LDN) diurno e noturno, com uma penalidade de 10 dBA aplicada aos níveis noturnos entre 2.200 e 07.00 horas para compensar a interrupção do sono e nenhuma penalidade aplicada aos níveis diurnos. A penalidade de -dB (A) torna o nível de ruído noturno permitido nos EUA igual a 45 dB (A), que é mais do que o aceito em alguns países europeus, mas menor do que o ruído produzido por algumas bombas de calor.
Outra característica dos trocadores de calor externos das bombas de calor de fonte de ar (ASHPs) é a necessidade de parar o ventilador de vez em quando por um período de vários minutos para eliminar o gelo que se acumula na unidade externa no modo de aquecimento. Depois disso, a bomba de calor começa a funcionar novamente. Esta parte do ciclo de trabalho resulta em duas mudanças repentinas do ruído feito pelo ventilador. O efeito acústico de tal interrupção nos vizinhos é especialmente poderoso em ambientes silenciosos, onde o ruído noturno de fundo pode ser tão baixo quanto 0 a 10dBA. Isso está incluído na legislação da França. De acordo com o conceito francês de incômodo com o ruído, "emergência de ruído" é a diferença entre o ruído ambiente, incluindo o ruído perturbador, e o ruído ambiente sem o ruído perturbador.
Controvérsia
As unidades carregadas com refrigerantes HFC são frequentemente comercializadas como de baixa energia ou uma tecnologia sustentável, no entanto, se o HFC vazar do sistema, há potencial para contribuir para o aquecimento global, conforme medido no potencial de aquecimento global (GWP) e potencial de destruição da camada de ozônio (ODP ) Mandatos recentes do governo viram a eliminação do refrigerante R-22 e sua substituição por refrigerante R-410A mais ecologicamente correto .
Impacto nas concessionárias de energia elétrica
Enquanto as bombas de calor com sistemas de backup diferentes de aquecimento por resistência elétrica são frequentemente incentivadas por concessionárias de energia elétrica, bombas de calor de fonte de ar são uma preocupação para concessionárias de pico de inverno se o aquecimento por resistência elétrica for usado como fonte de calor suplementar ou de substituição quando a temperatura cair abaixo do ponto que a bomba de calor pode atender a todos os requisitos de calor da casa. Mesmo se houver um sistema de backup não elétrico, o fato de que as eficiências dos ASHPs diminuem com as temperaturas externas é uma preocupação para as concessionárias de energia elétrica. A queda na eficiência significa que sua carga elétrica aumenta drasticamente à medida que as temperaturas caem. Um estudo no Território Yukon do Canadá , onde os geradores a diesel são usados para atingir a capacidade máxima, observou que a adoção generalizada de bombas de calor de fonte de ar pode levar a um aumento no consumo de diesel se o aumento da demanda elétrica devido ao uso de ASHP exceder a capacidade hidrelétrica disponível. Apesar dessas preocupações, o estudo concluiu que os ASHPs são uma alternativa de aquecimento com boa relação custo-benefício para os residentes de Yukon. Como os parques eólicos são cada vez mais usados para fornecer eletricidade à rede, o aumento da carga de inverno combina bem com o aumento da geração de inverno das turbinas eólicas , e dias mais calmos resultam em diminuição da carga de aquecimento para a maioria das casas, mesmo se a temperatura do ar estiver baixa.
Referências
Literatura
Summer, John A. (1976). Bombas de calor domésticas. PRISM Press. ISBN 0-904727-10-6 .