Aquecimento da casa. Esquema de aquecimento doméstico com bomba de calor

Este artigo descreve opções para aquecimento doméstico e fornecimento de água quente usando uma bomba de calor, um coletor solar e um gerador de calor por cavitação. É fornecido um método aproximado para calcular uma bomba de calor e um gerador de calor. O custo aproximado de aquecer uma casa com uma bomba de calor é dado.

Bomba de calor. projeto de aquecimento doméstico

Para entender seu princípio de operação, você pode olhar para uma geladeira ou ar condicionado doméstico comum.

Bombas de calor modernas usam para seu trabalho baixo potencial fontes de calor solo, água subterrânea, ar. O mesmo princípio físico opera tanto na geladeira quanto na bomba de calor (os físicos chamam esse processo de ciclo de Carnot). Uma bomba de calor é um dispositivo que "bombeia" o calor do compartimento da geladeira e o joga no radiador. O ar condicionado "bombeia" o calor do ar da sala e o joga no radiador, mas localizado na rua. Ao mesmo tempo, ao calor "sugado" da sala, é adicionado mais calor, no qual se transformou a energia elétrica consumida pelo motor elétrico do ar condicionado.

O número que expressa a relação entre a energia térmica produzida pela bomba de calor (ar condicionado ou refrigerador) e a energia elétrica consumida por ela é chamado de “coeficiente de aquecimento” pelos especialistas em bombas de calor. Nas melhores bombas de calor, o coeficiente de aquecimento atinge 3-4. Ou seja, para cada quilowatt-hora de eletricidade consumida pelo motor elétrico, são gerados 3-4 quilowatts-hora de energia térmica. (Um quilowatt-hora corresponde a 860 quilocalorias.) Esse fator de conversão (fator de aquecimento) depende diretamente da temperatura da fonte de calor, quanto maior a temperatura da fonte, maior o fator de conversão.

O ar condicionado retira essa energia térmica do ar externo e grandes bombas de calor "bombeiam" esse calor adicional, geralmente de um reservatório/água subterrânea ou solo.

Embora a temperatura dessas fontes seja muito menor que a temperatura do ar em uma casa aquecida, mas esse calor de baixa temperatura do solo ou da água, a bomba de calor se transforma em Temperatura alta necessário para aquecer a casa. Portanto, as bombas de calor também são chamadas de "transformadores de calor". (veja o processo de transformação abaixo)

Observação: As bombas de calor não apenas aquecem as casas, mas também resfriam a água do rio, de onde o calor é bombeado. E em nosso tempo, quando os rios estão superaquecidos por efluentes industriais e domésticos, resfriar o rio é muito útil para organismos vivos e peixes viverem nele. Quanto mais baixa a temperatura da água, mais oxigênio pode ser dissolvido nela, o que é necessário para os peixes. Em água morna, o peixe sufoca e em água fria ele se alegra. Portanto, as bombas de calor são muito promissoras para salvar o meio ambiente de " poluição térmica".

Mas instalar um sistema de aquecimento com bombas de calor ainda é muito caro, porque são necessários muitos trabalhos de terraplenagem e consumíveis, como tubos para criar um coletor / trocador de calor.

Vale lembrar também que nas bombas de calor, assim como nos refrigeradores convencionais, é utilizado um compressor que comprime o fluido de trabalho - amônia ou freon. As bombas de calor funcionam melhor com o freon, mas o uso do freon já foi proibido pelo fato de que, ao entrar na atmosfera, queima o ozônio em suas camadas superiores, o que protege a Terra dos raios ultravioleta do sol.

E, no entanto, parece-me que o futuro pertence às bombas de calor. Mas eles, ninguém ainda produz em massa. Por que? Não é difícil adivinhar.

Se aparecer uma fonte alternativa de energia barata, onde colocar o gás, o petróleo e o carvão produzidos, para quem vendê-los. E o que amortizar as perdas multibilionárias de explosões em minas e minas.

Diagrama esquemático do aquecimento de uma casa com uma bomba de calor

Como funciona uma bomba de calor

A fonte de calor de baixo potencial pode ser ar externo com temperatura de -15 a +15°C, ar descarregado do ambiente com temperatura de 15-25°C, subsolo (4-10°C) e solo (mais de 10°C) água, lago e água do rio (0-10°С), superfície (0-10°С) e solo profundo (mais de 20 m) (10°С). Na Holanda, por exemplo, na cidade de Heerlen, uma mina inundada é utilizada para esse fim. A água que enche a antiga mina na cota de 700 metros tem temperatura constante de 32°C.

No caso de utilização de ar atmosférico ou de ventilação como fonte de calor, o sistema de aquecimento funciona de acordo com o esquema “ar-água”. A bomba pode estar localizada dentro ou fora de casa. O ar é fornecido ao seu trocador de calor por meio de um ventilador.

Se a água subterrânea for usada como fonte de calor, o sistema funcionará de acordo com o esquema “água-água”. A água é fornecida do poço por meio de uma bomba para o trocador de calor da bomba e, após a remoção do calor, ela é descarregada em outro poço ou em um reservatório. Anticongelante ou anticongelante pode ser usado como refrigerante intermediário. Se um reservatório atuar como fonte de energia, um laço de um tubo de metal-plástico ou plástico é colocado em seu fundo. Uma solução de glicol (anticongelante) ou anticongelante circula pela tubulação, que transfere calor para freon através do trocador de calor da bomba de calor.

Ao usar o solo como fonte de calor, o sistema funciona de acordo com o esquema "solo-água". Existem duas opções para o dispositivo coletor - vertical e horizontal.

• Com um coletor horizontal, os tubos de metal-plástico são colocados em valas com profundidade de 1,2-1,5 m ou na forma de espirais em valas com profundidade de 2-4 m. Este método de colocação pode reduzir significativamente o comprimento das valas .

Esquema de uma bomba de calor com colector horizontal com colocação de tubos em espiral

1 - bomba de calor; 2 - tubulação assente no solo; 3 - caldeira de aquecimento indireto; 4 - sistema de aquecimento "piso quente"; 5 - circuito de alimentação de água quente.

No entanto, ao colocar em espiral, a resistência hidrodinâmica aumenta muito, o que leva a custos adicionais para bombear o refrigerante, e a resistência também aumenta à medida que o comprimento dos tubos aumenta.

• Com um arranjo vertical do coletor, os tubos são colocados em poços verticais a uma profundidade de 20 a 100 m.

Esquema da sonda vertical

Foto da sonda na baía

Instalação da sonda no poço

Cálculo do coletor horizontal de uma bomba de calor

Cálculo do coletor horizontal de uma bomba de calor.

q - remoção de calor específico (a partir de 1 m de tubo).

• areia seca - 10 W/m,
• argila seca - 20 W/m,
• argila molhada - 25 W/m,
• argila com alto teor de água - 35 W/m.

Entre os loops direto e de retorno do coletor, aparece uma diferença de temperatura do refrigerante.

Normalmente, para o cálculo, é considerado igual a 3 ° C. A desvantagem de tal esquema é que não é desejável erguer edifícios no local acima do coletor para que o calor da terra seja reabastecido devido à radiação solar. A distância ideal entre os tubos é considerada de 0,7 a 0,8 m. Nesse caso, o comprimento de uma vala é selecionado de 30 a 120 m.

Exemplo de cálculo de bomba de calor

Darei um cálculo aproximado de uma bomba de calor para nossa casa ecológica, descrita no artigo.

Acredita-se que para aquecer uma casa com pé direito de 3 m, seja necessário gastar 1 kW. Energia térmica por área de 10 m2. Com uma área de casa de 10x10m \u003d 100 m2, são necessários 10 kW de energia térmica.

Ao usar um piso quente, a temperatura do portador de calor no sistema deve ser de 35°C e a temperatura mínima do portador de calor - 0°C.

Tabela 1. Dados da bomba de calor Thermia Villa.

Para aquecer um edifício, escolha uma bomba de calor com capacidade de 15,6 kW (tamanho maior mais próximo), que consome 5 kW para o compressor. Selecionamos a remoção de calor da camada superficial do solo de acordo com o tipo de solo. Para (argila úmida) q é 25 W/m.

Calcule a potência do coletor de calor:

Qo=Qwp-P, onde

Qo- capacidade do coletor térmico, kW;

qwp- potência da bomba de calor, kW;

P- energia elétrica do compressor, kW.

A saída de calor necessária do coletor será:

Qo=15,6-5=10,6 kW;

Agora vamos determinar o comprimento total dos tubos:

L=Qo/q, onde q é a remoção específica de calor (a partir de 1 m do tubo), kW/m.

L \u003d 10,6 / 0,025 \u003d 424 m.

Para organizar tal coletor, serão necessários 5 contornos com 100 m de comprimento cada, com base nisso determinaremos a área necessária do local para a colocação do contorno.

A=Lxda, onde da é a distância entre os tubos (passo de assentamento), m.

Com um passo de assentamento de 0,75 m, a área necessária do local será:

A \u003d 500x0,75 \u003d 375 m2.

Cálculo do coletor vertical

Ao escolher um coletor vertical, os poços são perfurados com uma profundidade de 20 a 100 M. Tubos de metal-plástico ou plástico em forma de U são imersos neles. Para fazer isso, dois loops são inseridos em um poço, que são preenchidos com argamassa de cimento. Remoção de calor específico tal coletor é de 50 W/m.

Para cálculos mais precisos, os seguintes dados são usados:

• rochas sedimentares secas - 20 W/m;
• solo rochoso e rochas sedimentares saturadas de água - 50 W/m;
• rochas com alta condutividade térmica - 70 W/m;
• água subterrânea - 80 W/m.

Em profundidades superiores a 15 m, a temperatura do solo é de aproximadamente +10°C. Deve-se levar em consideração que a distância entre os poços deve ser superior a 5 m. Se houver correntes subterrâneas no solo, os poços devem ser perfurados perpendicularmente ao fluxo.

Exemplo: L=Qo/q=10,6/0,05=212 m.

Assim, com uma remoção de calor específica de um coletor vertical de 50 W/m e uma potência necessária de 10,6 kW, o comprimento da tubulação L deveria ser de 212 m.

Para construir um coletor, é necessário perfurar três poços com 75 m de profundidade cada, em cada um deles colocamos dois loops de um tubo de metal-plástico no total - 6 contornos de 150 m cada.

Funcionamento da bomba de calor ao operar de acordo com o esquema "Solo-água"

O oleoduto é colocado no chão. Ao bombear um refrigerante através dele, este aquece até a temperatura do solo. Além disso, de acordo com o esquema, a água entra no trocador de calor da bomba de calor e libera todo o calor para o circuito interno da bomba de calor.

O refrigerante pressurizado foi bombeado para o circuito interno da bomba de calor. Freon ou seus substitutos são usados ​​como refrigerante, já que o freon destrói a camada de ozônio da atmosfera e é proibido para uso em novos empreendimentos. O refrigerante tem um baixo ponto de ebulição e, portanto, quando a pressão cai drasticamente no evaporador, ele passa do estado líquido para o estado gasoso a baixa temperatura.

Após o evaporador, o refrigerante gasoso entra no compressor e é comprimido pelo compressor. Ao mesmo tempo, ele se aquece e sua pressão aumenta. O refrigerante quente entra no condensador, onde ocorre a troca de calor entre ele e o transportador de calor da tubulação de retorno. Desistindo de seu calor, o refrigerante esfria e se transforma em estado líquido. O refrigerante entra no sistema de aquecimento e esfria novamente, transfere seu calor para a sala. Quando o refrigerante passa através válvula de redução de pressão, sua pressão cai e ele passa novamente para a fase líquida. Depois disso, o ciclo se repete.

Na estação fria, a bomba de calor funciona como aquecedor e, no calor, pode ser usada para resfriar a sala (ao mesmo tempo, a bomba de calor não aquece, mas esfria o transportador de calor - água. E o resfriado a água, por sua vez, pode ser usada para resfriar o ar da sala).

Em geral, uma bomba de calor é uma máquina de Carnot funcionando na direção oposta. O refrigerador bombeia o calor do volume resfriado para o ar circundante. Se você colocar uma geladeira na rua, extraindo calor do ar externo e transferindo-o para dentro de casa, poderá, até certo ponto, aquecer a sala de maneira tão simples.

No entanto, como mostra a prática, uma bomba de calor por si só não é suficiente para abastecer uma casa com calor e água quente. Atrevo-me a oferecer o esquema ideal, na minha opinião, para aquecimento e abastecimento de água quente em casa.

O esquema proposto para fornecer a casa com calor e água quente

1 - gerador de calor; 2 - coletor solar; 3 - caldeira de aquecimento indireto; 4 - bomba de calor; 5 - tubulação no solo; 6 - bloco de circulação do sistema solar; 7 - radiador de aquecimento; 8 - circuito de abastecimento de água quente; 9 - sistema de aquecimento "piso quente".

Este esquema pressupõe o uso simultâneo de três fontes de calor. O papel principal é desempenhado pelo gerador de calor (1), a bomba de calor (4) e coletor solar(2), que servem como elementos auxiliares e ajudam a reduzir o custo da eletricidade consumida, como resultado, e aumentar a eficiência do aquecimento. O uso simultâneo de três fontes de aquecimento elimina quase completamente o perigo sistema de descongelamento.

Afinal, a probabilidade de falha ao mesmo tempo e o gerador de calor, a bomba de calor e o coletor solar são insignificantes. O diagrama mostra duas opções de aquecimento ambiente: radiadores (7) e "chão quente" (9). Isso não significa que as duas opções devam ser usadas, mas apenas ilustra a possibilidade de usar uma e a segunda.

O princípio de funcionamento do circuito de aquecimento

O gerador de calor (1) fornece água aquecida à caldeira (3) e ao circuito constituído por radiadores de aquecimento (7). Além disso, o refrigerante aquecido da bomba de calor (4) e do coletor solar (2) entra na caldeira. Parte da água aquecida pela bomba de calor também é fornecida à entrada do gerador de calor. Misturando-se com o "retorno" do circuito de aquecimento, aumenta sua temperatura. Isso contribui para um aquecimento mais eficiente da água no cavitador do gerador de calor. A água aquecida e acumulada na caldeira é fornecida ao circuito do sistema “piso quente” (9) e ao circuito de abastecimento de água quente (8).

Obviamente, a eficácia desse esquema será diferente em diferentes latitudes. Afinal, o coletor solar terá maior eficiência no verão e, claro, em dias ensolarados. Em nossas latitudes, não há necessidade de aquecer instalações residenciais no verão, portanto, o gerador de calor pode ser totalmente desligado. E como nosso verão é muito quente e mal podemos imaginar nossa vida sem um ar condicionado, a bomba de calor deve ser ligada para o modo de resfriamento. Naturalmente, a tubulação da bomba de calor para a caldeira será bloqueada. Assim, é suposto resolver o problema de abastecimento de água quente apenas com a ajuda de um sistema solar. E somente se o sistema solar não lidar com essa tarefa, use um gerador de calor.

Como você pode ver, o esquema é bastante complexo e caro. Os custos aproximados gerais dependendo do esquema escolhido são dados abaixo.

Custos para um coletor vertical:

• Bomba de calor 6000€;
• Perfurações 6000€;
• Custos operacionais (eletricidade): cerca de 400 € por ano.

Para uma variedade horizontal:

• Bomba de calor 6000€;
• Perfurações 3000€;
• Custos operacionais (eletricidade): cerca de 450 euros por ano.

Dos grandes custos, será necessário comprar tubos e pagar trabalhadores.

A instalação de um coletor solar plano (por exemplo, Vitosol 100-F e um aquecedor de água de 300 l) custará 3200 €.

Então vamos do simples ao complexo. Primeiro, vamos montar um esquema simples de aquecimento doméstico baseado em um gerador de calor, depurá-lo e adicionar gradativamente novos elementos a ele, o que aumentará a eficiência da instalação.

Vamos montar o sistema de aquecimento de acordo com o esquema:

Esquema de aquecimento da casa usando um gerador de calor

1 - gerador de calor; 2 - caldeira de aquecimento indireto; 3 - sistema de aquecimento "piso quente"; 4 - circuito de alimentação de água quente.

Como resultado, obtivemos o esquema de fornecimento de calor mais simples para a casa.Eu compartilhei meus pensamentos para incentivar as pessoas a desenvolver fontes alternativas de energia. Se alguém tiver alguma ideia ou objeção sobre o que foi escrito acima, vamos compartilhar nossos pensamentos, vamos acumular conhecimento e experiência neste assunto, e vamos salvar nosso meio ambiente e tornar a vida um pouco melhor.

Como vemos aqui, o principal e único elemento que aquece o refrigerante é o gerador de calor. Embora o esquema forneça apenas uma fonte de aquecimento, ele oferece a possibilidade de adição adicional de dispositivos de aquecimento adicionais. Para isso, assume-se a utilização de uma caldeira de aquecimento indireto com possibilidade de adicionar ou remover trocadores de calor.

Não se destina a utilização dos radiadores de aquecimento disponíveis no circuito representado na figura acima. Como você sabe, o sistema de "piso quente" lida com mais eficiência com a tarefa de aquecer as instalações e economiza energia.

Atenção: Preços válidos para 2009.