Um ambiente confortável desempenha um papel fundamental em como passamos nossos dias, e uma forma de alcançá-lo é através de ar condicionados e bombas de calor. Todos estamos muito familiarizados com ar condicionados, mas a maioria das pessoas não sabe que um ar condicionado é um tipo específico de bomba de calor e existem muitos outros sistemas que podem ser usados para o mesmo propósito de aquecer ou resfriar sua casa.
Nos dias de hoje, simplesmente não podemos viver sem aquecimento e resfriamento adequados. É um requisito fundamental pensar no controle de temperatura ao projetar edifícios residenciais ou comerciais. Infelizmente, isso tem um lado negativo, pois esses requisitos podem vir com uma enorme pegada energética. Enquanto alguns ar condicionados podem consumir muita energia, existem várias formas de aquecimento e resfriamento que podem ser benéficas na criação de uma casa energeticamente eficiente.
Vamos ver quais são esses outros tipos de bombas de calor, como funcionam e como você pode escolher uma adequada às suas necessidades.
Simplificando, uma bomba de calor é um dispositivo usado para transferir calor de um lugar para outro. Pode ser usada tanto para aquecimento quanto para resfriamento. Ela pode retirar calor do interior e ejetá-lo para fora (resfriamento), ou retirar calor do exterior e injetá-lo no interior (aquecimento).
Agora, existem várias maneiras de alcançar essa função; vamos analisar em detalhes:
A eficiência das bombas de calor é muito maior que a de aquecedores de resistência elétrica. Mas há um detalhe. Essa eficiência diminui à medida que o gradiente de temperatura ou a diferença entre as temperaturas externa e interna começa a aumentar.
O uso do termo "bomba de calor" pode confundir a maioria das pessoas, fazendo-as pensar que esses dispositivos só podem aquecer um espaço interno e não resfriá-lo. Mas, como definimos anteriormente, eles podem fazer ambos os trabalhos, frequentemente através de um único aparelho. Isso é alcançado através do uso de uma "válvula reversora" no caso dos ar condicionados. Através desse mecanismo, as bobinas do condensador e evaporador podem ser invertidas, ou seja, o condensador pode se tornar o evaporador, e o evaporador pode se tornar o condensador, conforme necessário.
Uma bomba de calor funciona movendo um fluido conhecido como refrigerante através de diferentes componentes: evaporador, condensador, compressor e válvula de expansão. O refrigerante é o meio principal pelo qual o calor é removido ou adicionado ao ambiente. Ele pode absorver calor do ambiente e resfriá-lo quando combinado com outros componentes como evaporadores ou condensadores. No ciclo a seguir, veremos como uma bomba de calor pode resfriar um espaço. O mesmo processo pode ser invertido para obter um arranjo de aquecimento.
O refrigerante passa por uma válvula de expansão, que converte o refrigerante líquido anterior em gás. Durante essa expansão, o refrigerante esfria. Ele é então passado por uma série de bobinas no evaporador, que recebem ar de um ventilador. Ar frio é injetado no ambiente, e o calor é absorvido pelo refrigerante, que se transforma em gás quente.
Ele é então passado pelo compressor, onde é comprimido e convertido em gás de alta temperatura e alta pressão. O refrigerante é introduzido através de uma rede de bobinas no condensador e recebe ar de ventiladores para remover o calor armazenado e ejetá-lo na atmosfera externa. O refrigerante, que agora é líquido neste ponto, é ciclado novamente pelo mesmo processo para continuar produzindo ar frio.
O refrigerante líquido é bombeado pela bobina interna (evaporador), e o ar de dentro do seu ambiente é soprado sobre ele. O refrigerante absorve a energia térmica, e o ar frio resultante é soprado de volta para a casa. O refrigerante então evapora para a forma gasosa.
O refrigerante gasoso é então enviado ao compressor, que o pressuriza. Pressurizar o refrigerante gasoso o aquece. O refrigerante gasoso quente é então enviado à bobina externa (condensador). O ventilador na unidade externa sopra ar externo sobre a bobina. O refrigerante transfere seu calor para o ar externo porque o ar externo é mais frio que o refrigerante. À medida que o refrigerante esfria, ele condensa de volta ao estado líquido.
O refrigerante líquido é enviado à válvula de expansão na unidade interna, que reduz sua pressão para resfriá-lo ainda mais. O refrigerante líquido frio está agora pronto para ser bombeado de volta à bobina do evaporador, e o ciclo pode começar novamente.
No modo resfriamento, não há diferença significativa entre um ar condicionado e uma bomba de calor. No entanto, no modo aquecimento, a característica mais distintiva da bomba de calor entra em ação: a válvula reversora. A válvula reversora inverte o fluxo do refrigerante de modo que a bomba de calor libera energia dentro da casa. Assim, a bobina da unidade externa assume o papel de evaporador, e a bobina da unidade interna assume o papel de condensador.
O processo geral permanece o mesmo. Primeiro, o refrigerante líquido é bombeado pela bobina externa (evaporador), e o ar externo é soprado sobre ele. Então, após o refrigerante absorver energia térmica, o ar frio resultante é soprado para fora. O refrigerante líquido então evapora para gás.
O refrigerante gasoso passa pelo compressor, que o pressuriza para aquecê-lo. O refrigerante gasoso é então enviado à bobina interna (condensador). O ventilador interno sopra o ar frio interno sobre o refrigerante gasoso. Como o ar interno é mais frio que o refrigerante gasoso, o refrigerante perde calor para o ar interno. O ar quente resultante é soprado para dentro da casa.
Enquanto isso, o refrigerante condensa em líquido e é então bombeado para a válvula de expansão, despressurizando-o para resfriá-lo ainda mais. Finalmente, o refrigerante líquido frio é bombeado para a bobina externa (evaporador), para que o ciclo possa começar novamente.
Como é evidente, as bombas de calor ar-ar funcionam usando o ar como dissipador e fonte de calor. Exemplos comuns são ar condicionados residenciais e comerciais. Esses sistemas também são reversíveis, o que significa que podem ser usados tanto para aquecimento quanto para resfriamento.
As bombas de calor ar-ar são sistemas de ar condicionado energeticamente eficientes, com instalação e custos iniciais mais baratos que outros sistemas de bomba de calor. Elas podem fornecer aquecimento e resfriamento suficientes em zonas climáticas e são adequadas para uso em grande parte do país.
Há, porém, uma desvantagem. Sua eficiência diminui à medida que a diferença de temperatura entre o interior e o exterior aumenta. Em frio ou calor extremos, as bombas de calor ar-ar podem enfrentar dificuldades para operar como desejado. Em climas de congelamento, isso pode ser especialmente problemático e atrapalhar as operações de ar condicionado. No entanto, o recurso de proteção contra congelamento em algumas bombas de calor pode ajudar significativamente a manter seus canos de não congelar no frio extremo a um custo baixo.
Existem alguns tipos diferentes de bombas de calor ar-ar. Vamos ver cada um abaixo:
As bombas de calor mini-split estão crescendo rapidamente em popularidade entre consumidores residenciais e comerciais, devido à facilidade de instalação, flexibilidade e eficiência energética. Na verdade, elas podem se tornar ainda mais eficientes quando acopladas a um controlador inteligente de AC. Esses tipos de bombas de calor não exigem uma rede extensa de dutos ou aberturas e são adequados para reformas onde estruturas antigas precisam ser equipadas com um sistema moderno de ar condicionado.
Esses sistemas consistem em duas partes: uma unidade interna e uma unidade externa. A unidade externa abriga o condensador, que ejeta o calor indesejado para fora, enquanto a unidade interna lança ar frio ou quente no ambiente.
Uma unidade externa mini-split também pode alimentar várias unidades internas, dando origem aos mini-splits multi-zona. Através desse método, unidades individuais podem ser controladas independentemente no que é conhecido como "zonificação".
O modo Proteção contra Congelamento é um recurso único e inovador para quem tem casas em climas extremamente frios. Com a Proteção contra Congelamento, você pode manter uma temperatura confortável no espaço interno mesmo quando não está em uso.
O ar condicionado pode funcionar em modo de aquecimento de baixa potência, garantindo que o ambiente não fique insuportavelmente gelado. Este modo é ideal para quando você não está ocupando o espaço, mas também não quer que ele congele ou fique muito frio.
Uma variante menos conhecida de bombas de calor ar-ar são as bombas de calor de ar exausto, que usam ar exausto de um processo separado e extraem calor dele. Requisitos para esse tipo de bomba de calor são que ela deve estar localizada próxima a um sistema de exaustão com fluxo constante e temperaturas consistentes.
Como discutido acima, uma desvantagem das bombas de calor ar-ar é a variação de temperatura observada no ambiente. Entre os diferentes tipos de bombas de calor, as subterrâneas ou subaquáticas eliminam esse problema porque o solo tem temperatura quase constante durante todo o ano. Portanto, as bombas de calor subterrâneas ou subaquáticas fornecem ar frio ou quente eficiente durante todo o ano. Além disso, a eficiência da bomba de calor para este tipo é muito maior que os outros, devido ao seu baixo consumo de energia.
As bombas de calor subaquáticas usam uma fonte de água como meio de troca de calor. Mas um pré-requisito é, claro, que uma fonte de água esteja localizada próxima. Essas bombas de calor podem funcionar como bombas de calor reversíveis também, absorvendo calor da água para aquecer o ambiente interno, e também liberando calor absorvido do interior para o corpo de água.
Isso é alcançado através de uma série de bobinas ou loops colocados sob o corpo de água. Refrigerante, em alguns casos a própria água, é bombeado através dessas bobinas e então roteado para dentro da casa para fornecer aquecimento ou resfriamento.
Como mencionado antes, as temperaturas subaquáticas permanecem estáveis durante o ano, e as bombas de calor de fonte de água podem ser bem utilizadas em climas extremos sem queda de desempenho.
Embora sistemas subaquáticos não exijam preparação extensa cavando o solo (como no caso de sistemas geotérmicos), eles ainda são inicialmente intensivos em custos em comparação aos sistemas ar-ar.
Uma distinção adicional em sistemas subaquáticos pode ser feita: sistemas de circuito fechado e aberto. Um sistema de circuito fechado tem refrigerante dentro dele, que é constantemente reciclado pela rede de tubulações. O refrigerante não precisa ser reposto repetidamente. Sistemas de circuito aberto, por outro lado, captam água da fonte e a bombeiam para dentro da casa. Essa água é então ejetada de volta à fonte. A mesma quantidade de água não é bombeada continuamente pela rede. As bombas de calor de fonte de água são, portanto, a escolha certa para casas rurais próximas a corpos de água.
Também conhecidas como Bombas de Calor Geotérmicas, esses sistemas usam o calor do solo em vez de água para aquecer ou resfriar um espaço interno. O solo também é uma fonte de calor de temperatura quase constante durante o ano e pode ser confiável para necessidades de aquecimento e resfriamento. Igual às bombas de calor subaquáticas, um refrigerante é passado por bobinas e loops colocados no subsolo. Esse refrigerante é então bombeado para dentro da casa, onde o calor é trocado.
No verão, isso significa que o refrigerante transporta refrigerante frio para dentro da casa, onde absorve calor do espaço interno e aquece, enquanto a casa esfria. O inverso é verdadeiro no inverno, quando o refrigerante ejeta calor no ambiente enquanto esfria.
Os tubos subterrâneos podem ser instalados em várias configurações. Podem ser colocados em loops horizontais sob o solo ou perfurados verticalmente a maiores profundidades em tubos. Esses tubos em forma de U são conectados na base, formando uma rede interconectada.
Em climas muito frios, uma bomba de calor pode ter problemas devido à enorme diferença de temperatura entre a temperatura externa e a interna desejada. Isso é especialmente verdadeiro para sistemas ar-ar, que podem parar de funcionar em temperaturas próximas ao congelamento, exigindo o uso de fornos, que são um custo adicional.
Além disso, embora bombas de calor geotérmicas e subaquáticas possam funcionar em uma faixa de temperatura mais ampla, elas são melhores no resfriamento do que no aquecimento.
Para combater esse problema, você pode usar bombas de calor híbridas. Esses sistemas são uma combinação de dois tipos diferentes de bombas de calor, cada um adequado a diferentes condições climáticas e requisitos. Um exemplo é o de bombas de calor movidas a energia solar. Elas usam energia solar como fonte de energia para alimentar sistemas de aquecimento adicionais ou podem ser usadas diretamente para fornecer aquecimento aproveitando a energia do sol.
Qualquer sistema que você escolha entre os diferentes tipos de bombas de calor, certifique-se de ter uma visão completa da zona climática em que está, seu orçamento, requisitos e, claro, a localização da sua bomba de calor. Se você está reformando um prédio antigo existente, seria mais adequado optar por uma bomba de calor mini-split. Mas se você mora perto de um grande corpo de água em área rural, uma bomba de calor geotérmica ou subaquática pode valer a pena.
Além da preferência pessoal e limitações geográficas, é importante ficar atento aos custos de instalação e operacionais. Como discutido antes, um sistema geotérmico será caro para instalar, mas os custos operacionais podem ser extremamente baixos, em comparação a uma bomba de calor sem dutos. Por outro lado, um sistema sem dutos será muito mais barato para comprar e instalar, com tempos mínimos de instalação também.
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