Guia para principiantes para bombas de calor de

Guia para principiantes sobre bombas de calor através de energia geotérmica
Artigo apresentado por Neil Packer, Staffordshire University, RU Abril 2011
Perspetiva Geral
O que é uma bomba de calor? É semelhante a uma bomba de água?
Bem, na realidade um pouco mas existem algumas distinções significativas.
Uma bomba de água serve para mover a água de um local para outro.
Uma bomba de calor é um aparelho para mover energia de um local (fonte de calor) para outro
(um depósito de calor) através da alteração do seu estado (líquido ou gasoso) e pressão feito por
uma substância que transporta calor e serve de intermediário.
Para podermos ponderar sobre estas questões necessitamos de alguma Termodinâmica (nada
mais que o estudo da energia).
Evaporação e condensação
Falemos primeiramente de água, substância com a qual todos estamos familiarizados.
Sabemos que a água muda de propriedades ou estado da forma líquida para a gasosa à
temperatura de 100ºC de pressão atmosférica. Dizemos que evapora ou “ferve”
Se for arrefecida abaixo dos 100ºC de pressão atmosférica irá transformar-se novamente em
estado líquido.
Se elevarmos a pressão ambiental torna-se mais difícil de as moléculas da água se separarem
sem qualquer tipo de energia adicional e por consequência a temperatura para fervura aumenta
com o aumento da pressão.
Por exemplo a uma pressão atmosférica de 2x o ponto de ebulição da água aumenta para 120ºC
A pressões que se encontrem abaixo da pressão atmosférica acontece precisamente o mesmo, a
água muda do estado líquido para o gasoso mais facilmente.
Por exemplo a 0.5x de pressão atmosférica a água irá ferver a uma temperatura de 81ºC.
Os líquidos refrigerantes são substâncias que se comportam de forma muito semelhante com a
exceção de que a qualquer pressão atmosférica tendem a ferver com temperaturas mais
reduzidas do que as necessárias para a água.
Por exemplo o refrigerante R-134a sujeito à pressão atmosférica ferve a -26ºC.
Qual a razão para nos darmos ao trabalho de fazer com que uma substância evapore ou
condense?
Bem, ao comparar com a transferência energética que ocorre devido a uma simples alteração de
temperatura, vastas quantidades de energia de calor poderão ser absorvidas ou rejeitadas pela
evaporação ou condensação e é este o fenómeno explorado nos aparelhos de refrigeração e
bombas de calor.
Aparelhos de refrigeração e bombas de calor
A ter em conta os frigoríficos de uso diário.
Imagine que acabou de adquirir um frigorífico novo em folha e que o ligou pela 1ª vez.
O ar dentro da parte de congelação (ou evaporatório) encontra-se inicialmente à temperatura
ambiente e existe mais do que energia suficiente para “ferver” o refrigerante embutido na
serpentina. Após ter perdido alguma energia o ar é um pouco arrefecido. (o ar poderá ficar tão frio
que qualquer vapor de água que contenha não só fica condensado como acaba por congelar
criando gelo no interior do congelador tornando-se um inconveniente).
É necessário rejeitar o calor proveniente do frigorífico de forma a poder ser novamente circulado
através do evaporatório para continuar a refrigerar o conteúdo do congelador à temperatura
necessária para a conservação dos alimentos.
Apesar de o frigorífico absorver uma grande quantidade de energia
através da evaporação nunca aquece demasiado pelo que não será
capaz de rejeitar qualquer aumento da temperatura do ar que o rodeia
devido a uma pequena alteração da temperatura.
A resolução para o problema é aumentar ou “Bombear” a pressão
originando assim um ponto de fervura do frigorífico controlado através
de um compressor elétrico (regra geral um depósito negro
localizado na parte traseira do fundo do frigorífico).
frigoríficos de temperatura mais alta poderão não só rejeitar mais
facilmente o calor libertado pelo ambiente envolvente, causando uma
condensação nas espirais (ou condensador) situado na parte traseira do mesmo.
O líquido refrigerante é então novamente posto em circulação para a parte do congelador para
repeti o processo.
A funcionalidade do frigorífico de uso doméstico é precisamente o de arrefecer o seu conteúdo.
O calor extraído é apenas um incómodo do qual nos queremos ver livres.
Apesar de ser basicamente idêntico, quando a preocupação principal não se prende com o
arrefecimento da fonte de calor mas sim torna-se num fator chave necessário de extrair, o
aparelho passa a ser denominado de Bomba de Calor.
As bombas de calor são assim aparelhos que combina um fonte de calor de nível reduzido com
alguma energia elétrica reduzida de forma a produzir um elevado nível de fonte de calor.
A eficácia do desempenho de uma bomba de calor é descrita através do seu coeficiente de
desempenham (COP) que é definido como:
COP = quantidade de calor rejeitado pelo condensador/ entrada de potência elétrica feita através
de um compressor.
Quanto maior for o resultado do COP, melhor visto que se está a obter mais calor para direcionar
para o consumo energético (pelo qual paga).
Bombas de calor subterrâneas
as bombas de calor subterrâneas usam o soo, água superficial ou subterrânea com fontes de
calor de baixo nível para elevar a temperatura da água para o aquecimento de espaços ou uso de
águas quentes e sanitárias.
Neste tipo de sistemas« é importante notar que existem, normalmente, três circuitos separados
(ver figura abaixo) onde os fluxos de três materiais de transporte de energia ficam a uma distância
reduzida uns dos outros (dentro dos transmissores de calor) possibilitando assim a transferência
de energia. Contudo os fluídos nunca se misturam.
Os circuitos são:
O circuito de fonte de calor – um circuito de água/ anti-congelante bombeada através de um
circuito fechado de tubagens, ligado a nível térmico entre o solo e o refrigerador instalado no
evaporatório conectado través de uma transferência de calor (EXH).
Circuito de refrigeração – um sistema de canos em circuito fechado que contém o conversor de
calor evaporado (EHX), um compressor, o conversor de calor condensado (CHX) e uma válvula de
pressurização ou de compensação (PRV).
Circuito de depósito de calor – um circuito fechado de tubagens ligando a nível térmico o
refrigerador dentro do conversor de calor condensado (CHX) com a carga de aquecimento, por
exemplo radiadores, tubagens de aquecimento de chão etc.
Do solo
Bomba
dos edifícios
EXH
PRV
CHX
Para os circuitos
c
Circuito de Fonte
de calor
Circuito de
Circuito de depósito de
refrigeração
calor
c
Para o solo
Bomba
Dos circuitos de
aquecimento
dos
edifícios
Compressor
Bomba de Calor
Apesar de o apresentado acima ser meramente um esquema é bastante indicativo do aspeto de
uma bomba de calor, ou seja, uma caixa com quatro tubos, dos quais um par se dirige para o
circuito do solo e outro par que alimenta o circuito de aquecimento do edifício.
O circuito da Fonte de calor (de e para o solo)
Primeiro necessitamos de fazer a distinção entre sistemas de fonte terrestre e sistemas
geotérmicos.
Os sistemas geotérmicos usam fontes de calor geológicas das profundezas da Terra onde as
fontes rochosas podem atingir 100 graus centígrados.
Por comparação os sistemas de fonte terrestre extraem, por norma, o calor de profundidades de
100m ou menos onde a energia armazenada resulta do acumular da energia solar. Normalmente
isto pode resultar em temperaturas que variam entre 20ºC à superfície e vai reduzindo para
aproximadamente 10ºC a profundidades de mais e 15m. Isto não parece ser muito promissor para
fazer o aquecimento de um edifício mas, é precisamente o tipo de energia de calor de baixo nível
que pode ser usada numa bomba de calor.
Tal como descrito anteriormente, extrair a energia do solo irá implicar o uso de um circuito fechado
de canalização de água/ anticongelante bombeado no solo. Existem duas formas de direcionar o
circuito fechado de canalização: em valas e furos de sondagem.
A escolha irá depender das condições do solo e da área disponível.
Valas horizontais são utilizadas em situações em que a área disponível é bastante e a remoção de
detritos não é um problema. As dimensões típicas de uma vala horizontal são: 1m de largo x 1,2m
de profundidade.
As valas verticais poderão ser usadas em locais de acesso limitado e ausência de grandes
pedregulhos.
Os furos de sondagem são utilizados em casos extremos de áreas reduzidas.
È normal verificarem-se profundidades e 60-100m com um diâmetro de 110-150m.
Em todos os casos, o número de valas ou furos de sondagem irá depender das caraterísticas
termais do solo e a quantidade de calor a ser fornecido.
O circuito de Depósito de Calor (de e para os edifícios)
As caldeiras alimentadas por combustíveis fósseis aquecem a água a uma temperatura entre 70 e
80ºC.
As Bombas de Calor Terrestres são capazes de produzir água quente a uma temperatura de cerca
de 35-50ºC.
Portanto existe energia suficiente disponível a uma temperatura um pouco mais baixa.
Consequentemente se um sistema de radiadores tradicionais for usado é necessária uma
superfície maior de elementos de emissão.
Por exemplo, um sistema que funcione a 50ºC irá necessidade 2x superior de elementos de
radiadores que a de um sistema que funcione a 70ºC. A 35ºC, é necessário uma superfície 4-5x
maior.
Uma solução para este problema é abandonar completamente os radiadores de parede em prol
de tubagem de aquecimento instalada no chão o que permite abranger uma área maior, bem
como uma situação mais adequada para baixas temperaturas.
Pensamento Final
as bombas de calor não são tecnologia nova. A sua aplicação para aquecimento de espaços
usando o solo como fonte de calor é um pouco mais recente.
Sugestões de leitura e pesquisa
Sistemas de energia e aplicações, BK Hodge, Wiley, 2010, ISBN 978-0-470-14250-9
Bombas de calor de Fonte de energia Terrestre, Publicações CORGI, 2008.
http://www.heatpumpcentre.org/en/Sidor/default.aspx
http://www.energysavingtrust.org.uk/Generate-your-own-energy/Ground-source-heat-pumps
http://www.gshp.org.uk/gshp.htm
http://www.ehpa.org/
Neil Parker é um engenheiro licenciado e orador veterano na Faculdade de Informática,
Engenharia e Tecnologia, da Universidade de Staffordshire, RU. Tem ensinado engenharia termofluida e ambiental durante cerca de 20 anos e trabalha como Consultor de baixas Emissões de
Carbono fornecendo um vasto leque de serviços energéticos para negócios, industrias e
autoridades locais.
Detalhes de contacto:
faculdade de Informática, Engenharia e Tecnologia
Universidade de Straffodshire
Beaconside, Strafford, ST18 0AD
Phone Number 01785 353243
e-mail [email protected]
Esta informação foi apresentada como parte do Projeto de Sistemas de Transferência de Energias
Renováveis (RETS) financiado pelo INTERREG IVC através do Fundo de Desenvolvimento
Regional Europeu. O tempo de ação do projeto é de Janeiro de 2010 a Dezembro de 2012. para
mais informações e para entrar na nossa comunidade on-line visite-nos em http://www.retscommunity.eu/