Quando se projeta um sistema de aquecimento ou arrefecimento com bomba de calor ar-água, uma das primeiras decisões hidráulicas é a de se utilizar um sistema de aquecimento ou arrefecimento com bomba de calor ar-água.Sistema de ligação directa de circuito únicoou umSistema hidrónico primário-secundário.

Embora estes termos sejam amplamente utilizados na indústria de HVAC e de bombas de calor, a escolha não deve basear-se simplesmente no pressuposto de que uma configuração é sempre mais eficiente do que a outra.

A disposição hidráulica correta depende de vários fatores, incluindo:

• Capacidade da bomba de calor
• Fluxo de água do sistema exigido
• Carga de aquecimento e arrefecimento
• Tipo de unidades terminais
• Número de zonas de aquecimento
• Temperatura da água de abastecimento necessária
• Diferencial de temperatura exigido (ΔT)
• Características da bomba de circulação
• Requisitos de fluxo variável
• Requisitos mínimos de volume e de caudal de água da bomba de calor

Este artigo explica osPrincípio de funcionamento, características hidráulicas, vantagens, limitações e aplicações típicas de um sistema de bomba de calor hidráulica de circuito único.

1O que é um sistema de bomba de calor hidrónico de ciclo único?

Asistema de bomba de calor hidrónica de circuito único, também chamado deSistema hidrónico de ligação directa, é um sistema HVAC baseado em água no qual a bomba de calor e o equipamento terminal de aquecimento ou arrefecimento estão ligados no mesmo circuito hidráulico.

Na sua forma mais simples:

Bomba de calor → Bomba de circulação → Terminais de aquecimento/refrigeração → Bomba de calor

A mesma água circulante passa pela fonte de calor e pelo lado da carga.

Ao contrário de um sistema primário-secundário, há normalmentesem separador hidráulico entre o circuito da bomba de calor e o circuito de distribuição.

O sistema pode fornecer equipamentos terminais tais como:

• Aquecimento por piso
• Radiadores
• Unidades de válvulas de ventilador
• Canais de manipulação de ar
• Outros terminais hidráulicos de aquecimento ou de arrefecimento

Diagrama hidráulico simplificado

Forneça água.
→
O que é que eu quero dizer?
│ │ │ Circulação
│ Bomba de calor │ │ Bomba de calor │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │
│ ▼ 
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Lado de carga │ │
│ │
│ │ Radiador │ │
│ │ Coroa do ventilador │ │
│ │ Aquecimento por piso │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │
│ │ │ │ │ │ │
←
Água de retorno

A característica fundamental é simples:

A bomba de calor e as unidades terminais partilham o mesmo fluxo de água circulante.

2Como funciona um sistema de bomba de calor de ciclo único?

O princípio de funcionamento pode ser compreendido através de dois parâmetros hidráulicos fundamentais:

1Diferença de temperatura da água (ΔT)
2Temperatura média da água circulante

Estes dois parâmetros estão estreitamente relacionados com a quantidade de calor transferida entre a bomba de calor e o edifício.

3. Compreender a temperatura da água de abastecimento e retorno

Durante a operação de aquecimento, a bomba de calor aumenta a temperatura da água em circulação.

Por exemplo:

Bomba de calor → 40°C Água de abastecimento → Terminais de aquecimento → 35°C Água de retorno → Bomba de calor

A diferença de temperatura é:

ΔT = 40°C − 35°C = 5 K

O equipamento terminal retira a energia térmica da água e transfere-a para o edifício.

A água de retorno do arrefecedor, em seguida, flui de volta para a bomba de calor e é reaquecida.

O ciclo continua enquanto existir a procura de aquecimento.

Perfil de temperatura

Saída da bomba de calor.
40°C
│
│ O calor é fornecido │
Para o edifício.
Não, não, não, não.
ΔT = 5 K 
◄ ◄ ◄ ◄ ◄ ◄
▲
│
35°C
Entrada da bomba de calor

No modo de arrefecimento, o princípio é invertido: a bomba de calor fornece água refrigerada e as unidades terminais absorvem o calor do ambiente interior.

4Por que é importante o ΔT?

Para um sistema de aquecimento hidráulico, a capacidade térmica transferida pode ser aproximada por:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Onde:

• Q= capacidade de transferência de calor
• ṁ= caudal de massa da água
• Cp= capacidade térmica específica da água
• ΔT= diferença de temperatura entre a água de abastecimento e a água de retorno

Para cálculos práticos de HVAC utilizando água:

Q (kW) ≈ 1,163 × Taxa de fluxo (m3/h) × ΔT (K)

Por conseguinte:

Taxa de fluxo (m3/h) ≈ Q / (1,163 × ΔT)

Exemplo

Suponha que uma bomba de calor forneça:

Capacidade de aquecimento = 20 kW

com:

ΔT = 5 K

O caudal de água necessário é aproximadamente:

20 ÷ (1,163 × 5) ≈ 3,44 m3/h

Isto demonstra uma característica importante dos sistemas de ligação directa:

A capacidade da bomba de calor, a capacidade terminal, o caudal de água e o ΔT devem ser hidraulicamente coordenados.

Se a bomba de calor exigir um fluxo de água significativamente maior ou menor do que o sistema de distribuição terminal, a ligação direta pode tornar-se difícil de controlar.

5Balanço energético num sistema de circuito único

Em condições de funcionamento estáveis, a energia térmica gerada pela bomba de calor deve corresponder aproximadamente à energia térmica absorvida pelo edifício:

Output da bomba de calor ≈ Transferência de calor terminal ≈ Carga de aquecimento do edifício

No entanto, estes valores raramente são idênticos em todos os momentos.

A carga do edifício muda continuamente devido a:

• Temperatura exterior
• Radiação solar
• Ocupação
• Ganhos de calor internos
• Configurações do termostato
• Válvulas de zona de abertura ou fechamento
• Função da bobina do ventilador
• Condições meteorológicas

Isto significa que um sistema de bomba de calor hidrónico está constantemente a tentar manter um equilíbrio entreGeração e consumo de calor.

6O que acontece quando a produção da bomba de calor excede a demanda do edifício?

Considere um sistema durante a inicialização.

O edifício e a água circulante podem ser inicialmente frios.

Neste momento:

• A demanda de aquecimento é elevada.
• A temperatura da água de retorno é baixa.
• A transferência de calor no lado terminal é elevada.
• A bomba de calor funciona a uma potência relativamente elevada.

À medida que o edifício se aproxima da temperatura alvo, a demanda de calor terminal diminui.

Se a bomba de calor continuar a produzir mais calor do que o edifício pode absorver,O excesso de energia térmica aumenta temporariamente a temperatura da água circulante e a massa térmica do sistema..

Em consequência:

A temperatura média da água do sistema sobe.

O controlador da bomba de calor responde então:

• Reduzir a frequência do compressor num sistema de inversores, ou
• Parar o compressor quando a temperatura pretendida for atingida.

Esta é uma das razõesAs bombas de calor de inversor de corrente contínua são particularmente adequadas para sistemas hidrónicos de baixa temperatura devidamente concebidos.

Em vez de operar apenas em plena capacidade ou parar completamente, o compressor pode modular sua produção para seguir mudanças na demanda do edifício.

7A importância do volume de água do sistema

O volume de água fornece inércia térmica.

Uma forma simplificada de entender isto é:

A bomba de calor produz calor.
↓
- Não, não, não.
│ Sistema Água │ 
│ Volume │ 
Não, não, não, não.
↓
Terminais de aquecimento
↓
Construção

Se a produção de calor e o consumo de calor forem temporariamente diferentes, o volume de água pode absorver parte desse desequilíbrio.

Um volume adequado de água pode ajudar:

• Estabilizar a temperatura da água
• Reduzir o ciclo rápido do compressor
• Melhorar a estabilidade de funcionamento da bomba de calor
• Fornecer energia térmica durante condições transitórias
• Suporte à operação de descongelamento em algumas configurações do sistema

No entanto,mais volume de água não é automaticamente melhor.

O volume excessivo do tampão pode aumentar:

• Custo da instalação
• Requisitos de espaço
• Perdas de calor em pé
• Tempo de aquecimento do sistema

O volume correto deve, por conseguinte, ser determinado de acordo com os requisitos mínimos de volume de água do fabricante da bomba de calor e as características hidráulicas do projecto.

8Relação entre capacidade da bomba de calor e temperatura da água

Uma bomba de calor de inversor moderna ajusta continuamente a sua potência de acordo com as condições de funcionamento.

Quando a procura de aquecimento aumentar:

Carga mais elevada → Potência térmica requerida mais elevada

Dependendo da estratégia de controlo, o sistema pode responder através de:

• Frequência do compressor mais elevada
• Temperatura da água de abastecimento mais elevada
• Aumento do fluxo de circulação
• Ou uma combinação destes fatores

Quando a procura de aquecimento diminuir:

Carga inferior → Saída da bomba de calor inferior

É por isso queCompensação climática / controlo de reinicialização ao ar livreÉ importante para a eficiência da bomba de calor.

Em vez de manter temperaturas de água desnecessariamente elevadas durante toda a estação de aquecimento, o controlador pode reduzir a temperatura de abastecimento de água alvo durante condições exteriores mais amenas.

Uma temperatura mais baixa da água de abastecimento geralmente reduz a elevação do compressor e pode melhorar a eficiência da bomba de calor sazonal.

9Configuração típica de bomba de calor de ciclo único

Um sistema prático pode conter:

Bomba de calor ar-água
│
▼
Bomba de circulação
│
▼
Encaixe de suprimentos.
│
Não, não, não, não.
Não, não.
Radiador FCU piso 
Aquecimento
│ │
Não, não, não, não.
▼
Retorno de cabeçalho.
│
▼
Bomba de calor

Dependendo da concepção do sistema, os componentes adicionais podem incluir:

• Navio de expansão
• Ventilação automática
• Válvula de segurança
• Separador magnético de sujeira
• Estirador de Y
• Válvula de retenção
• Medidor de pressão
• Sensores de temperatura
• Medidor de caudal ou interruptor de caudal
• Valvas de equilíbrio
• Válvulas de zona
• Válvula de desvio de pressão diferencial

Estes componentes não convertem necessariamente o sistema num sistema primário-secundário.

A questão decisiva é se o circuito da bomba de calor e o circuito de distribuição do terminal permanecemcom uma tensão máxima de 80 V,.

10A selecção da bomba de circulação é crítica

A bomba de circulação deve fornecer um caudal suficiente ao mesmo tempo em que supera a queda total de pressão do circuito hidráulico.

O designer deve considerar:

Fluxo necessário + Resistência total do sistema = Ponto de funcionamento da bomba de circulação

A resistência total pode incluir:

• Trocador de calor de água da bomba de calor
• Tubulação de abastecimento e retorno
• Acessórios
• Filtros
• Valvas
• Manifolds
• Radiadores
• Canais de ventilação
• Circuitos de aquecimento por piso

Uma bomba selecionada apenas de acordo com o caudal nominal, sem verificar a cabeça disponível, pode resultar em circulação insuficiente.

Da mesma forma, uma bomba de grandes dimensões pode causar:

• Velocidade excessiva da água
• Consumo de energia da bomba mais elevado
• Ruído
• Problemas de controlo das válvulas
• ΔT reduzido

Por conseguinte, a selecção da bomba de circulação deve basear-se sempre no cálculo hidráulico real do sistema.

11Fluxo constante versus fluxo variável

Uma das considerações mais importantes num sistema de bomba de calor de circuito único é se o sistema de distribuição funciona a um caudal aproximadamente constante ou variável.

Fluxo constante ou relativamente estável

A ligação directa é relativamente simples quando:

Fluxo necessário da bomba de calor ≈ Fluxo do sistema de distribuição

Por exemplo, uma simples instalação de aquecimento por piso com a maioria dos circuitos continuamente abertos pode proporcionar condições hidráulicas relativamente estáveis.

Fluxo variável

A situação torna-se mais complicada quando vários termostatos e válvulas de zona controlam independentemente diferentes áreas.

Por exemplo:

Zona 1 aberta
Bomba de calor Zona 2 fechada
Zona 3 fechada.
Zona 4 encerrada

Quando várias zonas se fecham, o fluxo total do sistema pode diminuir significativamente.

Isto pode fazer com que a bomba de calor caia abaixo do caudal mínimo de água exigido.

As possíveis consequências incluem:

• Alarmes de protecção contra baixos fluxos
• ΔT mais elevado
• Temperatura da água de saída instável
• Performance reduzida do trocador de calor
• Ciclos frequentes do compressor
• Performance de descongelamento fraca

Esta é uma das principais limitações dos sistemas de ligação directa.

12. Vantagens de um sistema de bomba de calor hidrónico de ciclo único

Design hidráulico simples

Um sistema de circuito único requer geralmente menos componentes hidráulicos.

Isto pode reduzir:

• Complexidade da instalação
• Número de bombas
• Tubulação
• Requisitos de controlo

Menor custo inicial

Uma vez que a separação hidráulica e as bombas de distribuição adicionais podem não ser necessárias, os custos de equipamento e instalação podem ser menores.

Energia de bombeamento mais baixa

Quando uma bomba de circulação de alta eficiência adequadamente selecionada pode servir o sistema completo, o consumo elétrico auxiliar pode ser reduzido.

Redução da mistura hidráulica

Os separadores hidráulicos e os reservatórios tampão podem introduzir a mistura em determinadas condições de funcionamento.

Um sistema direto correctamente concebido pode enviar a água que sai da bomba de calor diretamente para os terminais de aquecimento sem este efeito de mistura.

Isto pode ser vantajoso para aplicações de bombas de calor de baixa temperatura.

Boa compatibilidade com bombas de calor de inversor

Quando o fluxo de água permanece dentro do intervalo de operação exigido, uma bomba de calor com inversor pode modular a capacidade para acompanhar a carga do edifício de forma eficiente.

13Limitações de um sistema de circuito único

Um sistema de ligação directa não é adequado para todos os projectos.

As suas principais limitações incluem:

A bomba de calor e o fluxo de carga devem ser compatíveis

Como ambos os lados compartilham o mesmo circuito hidráulico, diferenças significativas entre o fluxo da bomba de calor e o fluxo terminal exigidos podem criar problemas de controle.

Várias zonas podem causar instabilidade do fluxo

O fechamento de válvulas termostáticas ou motorizadas altera o fluxo e a pressão do sistema total.

Temperaturas terminais diferentes são mais difíceis

Considere um edifício contendo:

• Aquecimento por piso: 30°C a 40°C
• Válvulas de ventilação: 40°C-45°C
• Radiadores: 45°55°C

Estes terminais podem exigir temperaturas de alimentação e características de fluxo diferentes.

Um simples circuito de ligação direta pode, portanto, ser insuficiente.

O tamanho da bomba torna-se mais crítico

Pode ser necessário utilizar uma única bomba para compensar a perda de pressão tanto da bomba de calor como da rede de distribuição.

O fluxo mínimo da bomba de calor deve ser sempre protegido

As bombas de calor modernas especificam normalmente um fluxo mínimo de água operacional.

Se o caudal do sistema for inferior a este valor, não se pode garantir um funcionamento fiável.

14Quando é recomendado um sistema de bomba de calor de ciclo único?

Uma configuração de circuito único é particularmente atraente quando:

• O sistema é relativamente pequeno
• A rede hidráulica é simples.
• As exigências da bomba de calor e do caudal terminal são semelhantes
• A maioria dos terminais opera a temperaturas de água semelhantes
• Há poucas zonas independentes.
• O fluxo permanece relativamente estável
• A bomba de circulação da bomba de calor tem uma cabeça disponível suficiente
• O fluxo mínimo da bomba de calor pode ser sempre mantido
• O volume de água do sistema satisfaz os requisitos do fabricante

As aplicações típicas podem incluir:

Bomba de calor + aquecimento por piso

ou

Bomba de calor + um circuito principal da bobina do ventilador

ou

Bomba de calor + sistema de radiador de baixa temperatura

15Quando deve ser considerado um sistema primário-secundário?

Um sistema hidrónico primário-secundário torna-se mais atraente quando:

• O edifício tem muitas zonas independentes
• O fluxo terminal varia significativamente
• Diferentes circuitos terminais exigem taxas de fluxo diferentes
• São necessárias diferentes temperaturas da água
• A rede de distribuição tem uma elevada resistência hidráulica
• A bomba de circulação da bomba de calor não pode servir a rede completa
• São necessárias várias bombas de circulação
• Múltiplas bombas de calor operam em cascata
• Deve ser garantido um caudal mínimo estável através da bomba de calor

Nestes casos, um separador hidráulico ou um dispositivo de amortecimento adequadamente concebido podem desacoplar hidráulicamente o lado da bomba de calor do lado de distribuição do edifício.

Conceptualmente:

Fonte de calor lado lado de carga

Radiadores de bomba de calor.
│ ▲ 
Bomba primária
│ Bomba secundária 
▼ │ 
Não, não, não, não.
│ Hidráulica │ ◄ │ │ │ │
│ Separador │ │
│ │ │ │
▲ ▼ 
│ Ventiladores │
│
Circuito primário

Os dois lados podem então operar a taxas de fluxo diferentes sem forte interação hidráulica.

16. Single-Loop versus Primary-Secondary: qual é mais eficiente?

Não há uma resposta universal.

Um equívoco comum é:

"Um sistema de ciclo único é sempre mais eficiente porque usa menos bombas".

Outro equívoco é:

"Um sistema primário-secundário é sempre melhor porque é mais profissional".

Nenhuma das duas declarações é tecnicamente correta.

A eficiência do sistema depende da concepção hidráulica completa.

Um sistema direto bem concebido pode ser extremamente simples e eficiente.

Contudo, forçar uma instalação de várias zonas complicada num único circuito hidráulico pode causar fluxo instável, ciclos excessivos e mau controlo da temperatura.

Por outro lado, a adição de reservatórios tampão, bombas e dispositivos de mistura desnecessários a um sistema residencial simples pode aumentar o custo de instalação e o consumo elétrico parasitário.

O princípio correto é:

Usar a arquitetura hidráulica mais simples que possa manter o fluxo, a temperatura, a pressão e a estabilidade de controlo exigidos em todas as condições de funcionamento esperadas.

17Perguntas Frequentes

O que é um sistema de bomba de calor de ciclo único?

A single-loop heat pump system is a hydronic configuration in which the heat pump and heating/cooling terminals share the same water circulation circuit without hydraulic separation between the heat source and load sides.

Um sistema de circuito único requer um tanque tampão?

- Nem sempre.

Um reservatório tampão deve ser considerado em função do volume mínimo de água do sistema, do tempo mínimo de funcionamento do compressor, dos requisitos de descongelamento,estratégia de zoneamento e recomendações do fabricante em vez de serem instaladas automaticamente em cada projeto.

Pode uma bomba de circulação servir a todo o sistema?

Sim, desde que a bomba possa fornecer o caudal de projecto exigido na cabeça total do sistema calculada, mantendo a gama de caudal de funcionamento exigida pela bomba de calor.

Um sistema de circuito único pode utilizar radiadores e aquecimento por piso em conjunto?

É possível, mas é necessário um projeto cuidadoso porque os radiadores e o aquecimento por piso geralmente operam a temperaturas e taxas de fluxo de água diferentes.Um circuito de mistura ou um sistema de distribuição hidráulicamente separado podem ser mais adequados..

Um sistema de circuito único é adequado para bombas de calor de inversor?

Sim, as bombas de calor com inversor podem funcionar particularmente bem em sistemas de ligação direta devidamente concebidos, porque a capacidade do compressor pode ser modulada de acordo com a demanda térmica.Os requisitos de fluxo mínimo de água e de volume mínimo do sistema devem ainda ser respeitados..

O que determina a produção de calor num sistema hidrónico?

A transferência de calor é determinada principalmente pelo fluxo de água e pela diferença de temperatura entre o fornecimento e o retorno:

Q ≈ 1,163 × Fluxo × ΔT

Por conseguinte, a capacidade da bomba de calor, a capacidade terminal, o caudal e o ΔT devem ser considerados em conjunto.

Conclusão

Asistema de bomba de calor hidrónica de circuito únicoÉ uma das formas mais simples de ligar uma bomba de calor ar-água aos terminais de aquecimento ou arrefecimento de um edifício.

A sua principal característica é que ofonte de calor e lado de carga compartilham o mesmo circuito hidráulico e fluxo de água circulante.

Quando a bomba de calor, a bomba de circulação e o sistema de terminais estão corretamente combinados, este arranjo oferece várias vantagens:

• Design hidráulico simples
• Menor custo de instalação
• Menos bombas de circulação
• Menor consumo de energia auxiliar
• Entrega direta de água de abastecimento aos terminais
• Excelente compatibilidade com aquecimento a baixa temperatura

No entanto, a simplicidade não elimina a necessidade de engenharia hidráulica.

O designer deve ainda verificar:

Carga de aquecimento/refrigeração → Capacidade da bomba de calor → Projeção ΔT → Fluxo de água necessário → Queda de pressão do sistema → Seleção da bomba → Fluxo mínimo → Volume de água → Estratégia de controlo

Só quando estes parâmetros estiverem devidamente coordenados, um sistema de bomba de calor ligado directamente poderá funcionar de forma eficiente e fiável.

Para edifícios complexos de várias zonas, sistemas de fluxo variável ou instalações que utilizam diferentes temperaturas terminais, umSistema hidrónico primário-secundáriopodem proporcionar melhor estabilidade e controlo hidráulico.

Por conseguinte, o objectivo não é decidir se um sistema de circuito único ou de circuito primário-secundário é universalmente melhor.

O objectivo é selecionar a arquitetura hidráulica que melhor corresponda às exigências operacionais reais do projecto.