Substituir uma caldeira por uma bomba de calor de ar é mais do que substituir a fonte de calor

Substituição de uma caldeira tradicional a gás, óleo ou eléctrica por umabomba de calor ar-águaO projecto de renovação de edifícios residenciais, comerciais e públicos está a tornar-se cada vez mais comum.

No entanto, uma adaptação bem sucedida não é simplesmente:

Remover a caldeira → instalar uma bomba de calor → ligar os tubos existentes.

Uma bomba de calor e uma caldeira operam em condições hidráulicas e de temperatura muito diferentes.

Uma caldeira pode normalmente fornecer temperaturas de água relativamente elevadas com uma diferença de temperatura relativamente grande entre a água de abastecimento e de retorno.Normalmente alcança a sua melhor eficiência ao fornecer água de temperatura mais baixa com fluxo de água cuidadosamente controlado.

Isto significa que, antes de substituir uma caldeira, os engenheiros devem responder a várias questões importantes:

1. Qual é a carga real de aquecimento e arrefecimento do edifício?

2. Qual a capacidade que a bomba de calor deve fornecer à temperatura exterior de projecto?

3. As bobinas de ventilação, os radiadores ou o sistema de aquecimento por piso existentes podem funcionar às novas temperaturas da água?

4. As tubulações existentes podem fornecer fluxo de água suficiente?

5. A bomba de circulação existente é adequada?

6. É necessária uma separação hidráulica, um reservatório tampão ou um circuito secundário?

A compreensão destas questões é a chave para uma adaptação confiável da caldeira para a bomba de calor.

1Começar com a carga do edifício, não a capacidade da caldeira existente

Um dos erros mais comuns na modernização de bombas de calor é a seleção de uma nova bomba de calor de acordo com a capacidade impressa na placa de identificação da caldeira existente.

Por exemplo:

Capacidade existente da caldeira = 100 kW
Por conseguinte, instalar uma bomba de calor de 100 kW.

Esta abordagem pode ser seriamente enganosa.

As caldeiras tradicionais são frequentemente de grandes dimensões e a sua capacidade nominal não representa necessariamente a procura de aquecimento de pico real do edifício.

O ponto de partida correto é, portanto, oCarga de aquecimento de projeto.

Em projectos que exijam arrefecimento, deve igualmente ser calculada a carga de arrefecimento de projecto.

Uma estimativa preliminar simplificada pode utilizar:

$$Q = A vezes q$$

Onde:

• Q= carga estimada do edifício, W

• A= área de piso condicionado, m2

• q= carga unitária estimada, W/m2

Por exemplo, se um edifício de 10 000 m2 tiver uma carga estimada de aquecimento de 70 W/m2:

$$10,000 vezes 70 = 700.000 W$$

Por conseguinte:

$$Q_{queima}=700kW$$

No entanto, os valores de W/m2 só devem ser utilizados paraAvaliação preliminar.

A selecção final da bomba de calor deve basear-se preferencialmente num cálculo adequado da perda/ganho de calor do edifício, tendo em conta o isolamento, o vidro, a ventilação/infiltração, a ocupação, os ganhos internos,temperatura de projeto exterior e temperatura interna necessária.

2. A capacidade da bomba de calor deve ser verificada na temperatura exterior de projeto

Isto é particularmente importante para bombas de calor a ar.

Uma bomba de calor anunciada como uma bomba de calor de 20 kW não fornece necessariamente 20 kW em todas as condições exteriores.

À medida que a temperatura do ar exterior diminui, a capacidade de aquecimento disponível e a COP de uma bomba de calor de fonte de ar podem mudar significativamente.

Portanto, os engenheiros não devem selecionar equipamentos baseados apenas em condições nominais, tais como:

A7/W35

Em vez disso, a capacidade deve ser verificada em relação às condições reais de concepção do projeto, por exemplo:

• A7/W35

• A2/W35

• A−7/W35

• A−15/W45

• A−20/W55

Dependendo do clima e da aplicação.

O princípio correto é:

$$Q_{HP,design} geq Q_{building,design}$$

A menos que o sistema tenha sido deliberadamente concebido como umsistema bivalentecom aquecimento auxiliar.

Para projectos com clima frio, a capacidade de aquecimento a baixas temperaturas é, portanto, muitas vezes mais importante do que os kW nominais impressos num catálogo.

3As cargas de aquecimento e arrefecimento podem levar a diferentes selecções de bombas de calor

Para os sistemas reversíveis de bombas de calor ar-água, surge outra questão:

Devemos dimensionar a bomba de calor de acordo com a carga de aquecimento ou carga de resfriamento?

A resposta depende do clima.

Clima frio

Em climas frios, a carga de aquecimento é geralmente dominante.

A bomba de calor é, portanto, normalmente selecionada de acordo com oCarga de aquecimento de projeto de inverno, após verificação da sua baixa capacidade de aquecimento ambiente.

A capacidade de arrefecimento de verão pode então ser suficiente automaticamente.

Clima de verão quente / inverno frio

A situação pode ser diferente em climas com uma procura substancial de aquecimento e arrefecimento.

Suponha que um edifício comercial tenha:

$$Q_{queima}=700kW$$

mas:

$$Q_{refrigeração}=1.500kW$$

O dimensionamento de toda a bomba de calor para 1.500 kW simplesmente por causa do pico de arrefecimento pode produzir um sistema de aquecimento de grande porte.

Uma possível solução de engenharia é uma planta híbrida:

Bombas de calor ar-água → aquecimento de base + arrefecimento parcial

mais

Refrigerador → arrefecimento de pico suplementar

Isto pode proporcionar uma melhor utilização dos equipamentos e uma operação da planta mais flexível.

A configuração exacta deve ser determinada pelos perfis de carga, clima, horários de funcionamento, tarifas de electricidade, requisitos de redundância e custo do ciclo de vida, não apenas pela capacidade máxima.

4As bobinas de ventilador existentes podem ser utilizadas com uma bomba de calor?

Em muitos projetos de substituição de caldeiras, o edifício já contém unidades de bobina de ventilador hidrónico.

A boa notícia é:

As bobinas de ventilador existentes não precisam ser automaticamente substituídas.

Mas o seu desempenho deve ser verificado nas novas temperaturas de funcionamento.

A capacidade da bobina do ventilador depende fortemente da diferença de temperatura entre a água que entra na bobina e o ar ambiente.Os quadros de desempenho do fabricante devem ser utilizados sempre que disponíveis.. (Caleffi SpA)

Por exemplo, uma bobina de ventilador originalmente projetada em torno de:

Sistema de caldeiras

Fornecimento a 70 °C / retorno a 60 °C

podem produzir substancialmente menos calor quando operados a:

Sistema de bomba de calor

Fornecimento a 45°C / retorno a 40°C.

Então a pergunta correta não é:

Uma bobina de ventoinha pode funcionar com água a 45°C?

É:

¢Pode esta bobina de ventilador fornecer a capacidade de aquecimento da sala necessária a 45°C de água nas condições reais de fluxo de ar e de fluxo de água?

Essa distinção é extremamente importante.

5As bobinas de ventilador são particularmente atraentes para sistemas de bomba de calor de aquecimento + resfriamento.

Os sistemas de bobinas de ventilador têm uma grande vantagem nos projetos de adaptação de bombas de calor:

Normalmente, o mesmo terminal pode fornecer aquecimento e arrefecimento.

Durante o Inverno:

Bomba de calor de origem de ar → água quente → bobina do ventilador → aquecimento do espaço

Durante o verão:

Bomba de calor de origem de ar → água refrigerada → bobina do ventilador → arrefecimento do espaço

Isto torna as bobinas de ventilador particularmente atraentes para hotéis, escritórios, escolas, apartamentos e edifícios comerciais que necessitam de climatização durante todo o ano.

Contudo, quando for utilizada água refrigerada, o sistema de válvulas e tubulações do ventilador deve também ser concebido para controlar a condensação, incluindo um adequado isolamento e drenagem do condensado.

As modernas orientações de projeto hidrónico também reconhecem as bobinas de ventilador como emissores de calor úteis para bombas de calor ar-água,especialmente quando concebidos com superfícies de trocador de calor suficientemente grandes para baixas temperaturas da água. (Caleffi SpA)

6Os tubos de bobina de ventilador existentes precisam ser substituídos?

Não necessariamente.

A relação fundamental que rege a transferência de calor em um circuito hidrónico é:

$$Q=ponto m c_pDelta T$$

Onde:

• Q= taxa de transferência de calor

• ṁ= caudal da massa de água

• Cp= capacidade térmica específica

• ΔT= diferença de temperatura entre a água de abastecimento e a água de retorno

Esta equação explica uma das diferenças mais importantes entre os sistemas hidráulicos de caldeira e de bomba de calor.

Para a mesma taxa de transferência de calor:

$$ponto m propto frac{1}{Delta T}$$

Portanto, à medida que o projeto ΔT se torna menor, o fluxo de água necessário se torna maior. (Caleffi SpA)

7Por que as bombas de calor exigem frequentemente um fluxo de água mais elevado

Veja um exemplo simples.

Um sistema deve transferir:

$$Q=100 kW$$

Para a água, uma aproximação métrica conveniente é:

$$Q ((kW) aproximadamente 1,163 vezes Fluxo ((m3/h) vezes Delta T ((K)$$

Por conseguinte:

$$Fluxo=frac{Q}{1,163 vezesDelta T}$$

Em ΔT = 10°C

$$Flow=frac{100}{1.163 vezes10}$$ $$Fluxo aprox. 8,6 m3/h$$

Em ΔT = 5°C

$$Fluxo=frac{100}{1.163 vezes5}$$ $$Fluxo aproximado de 17,2 m3/h$$

Então reduzindo ΔT de 10°C para 5°C aproximadamenteduplica o fluxo de água necessário.

É por isso que a substituição de uma caldeira por uma bomba de calor pode causar problemas hidráulicos mesmo quando a capacidade de aquecimento foi calculada corretamente.

O tubo existente pode simplesmente ser demasiado pequeno para o fluxo da bomba de calor necessária.

8Por que simplesmente instalar uma bomba maior nem sempre é a solução

Uma reação comum é:

Se o fluxo for demasiado baixo, basta instalar uma bomba de circulação maior.

Às vezes isto funciona.

Às vezes, cria outro problema.

O aumento da cabeça da bomba não pode compensar indefinidamente a infraestrutura de tubulação.

• aumento da queda de pressão;

• maior consumo de electricidade da bomba;

• ruído do caudal;

• ruído das válvulas;

• risco de erosão;

• equilíbrio hidráulico fraco;

• fluxo insuficiente nos ramos distantes.

O procedimento correto é, portanto:

Capacidade térmica necessária → caudal de água necessário → queda de pressão do tubo → cabeça de bomba disponível → seleção da bomba de circulação

Em vez de selecionar a bomba de forma independente.

9- As tubulações existentes devem ser avaliadas antes da substituição

A substituição de todos os tubos hidrônicos existentes pode tornar uma adaptação extremamente cara e perturbadora.

Portanto, os engenheiros devem primeiro investigar se a rede existente ainda pode ser usada.

Verifique:

• Diâmetro do tubo principal;

• Diâmetro do tubo de ramificação;

• comprimento do tubo;

• acessórios e perda de pressão das válvulas;

• a curva da bomba existente;

• pressão diferencial disponível;

• Fluxo da bomba de calor exigido;

• velocidade admissível da água;

• Balanço hidráulico.

Se a tubulação existente puder suportar o fluxo exigido com perda de pressão e velocidade aceitáveis, pode não haver razão para substituí-la.

Esta é uma das maiores oportunidades para reduzir os custos de modernização.

10O aquecimento por piso é geralmente uma excelente combinação para bombas de calor.

O aquecimento por piso hidrónico existente pode muitas vezes ser ainda mais adequado para bombas de calor do que radiadores convencionais.

- Porquê? Porquê?

Porque o aquecimento por piso utiliza uma superfície de emissão de calor muito grande.

Uma área de transferência de calor maior permite que o edifício seja aquecido utilizando temperaturas de água relativamente baixas.

É exatamente o que uma bomba de calor prefere.

Modern heat-pump design guidance identifies well-designed floor heating as particularly suitable for air-to-water heat pumps because it can deliver the required room heat output at relatively low supply water temperatures, melhorando a eficiência da bomba de calor. (Caleffi SpA)

Uma operação típica de aquecimento a baixa temperatura pode ser:

30°C a 35°C água de abastecimento

ou

Água de abastecimento a 35°C-40°C

Dependendo da carga do edifício, da construção do piso, do espaçamento dos tubos, da cobertura do piso e das condições exteriores.

A temperatura de projecto real deve sempre ser calculada e não assumida.

11A diferença importante: aquecimento por piso ΔT

O circuito de aquecimento por piso existente pode ter sido concebido para uma diferença de temperatura de alimentação e retorno maior do que a exigida pela bomba de calor.

Suponha que o circuito do chão antigo funcione a:

$$Delta T=10°C$$

mas a bomba de calor requer aproximadamente:

$$Delta T=5°C$$

Para a mesma capacidade de aquecimento, o lado da bomba de calor requer aproximadamente o dobro do caudal de água.

Isto pode criar um desajuste entre:

Fluxo necessário da bomba de calor

e

Capacidade de fluxo do circuito UFH existente.

Isto não significa automaticamente que todos os tubos de aquecimento de piso precisem ser substituídos.

Em vez disso, o sistema hidráulico precisa ser redesenhado corretamente.

12A separação hidráulica pode resolver muitos problemas de modernização

Uma solução eficaz consiste em separar hidraulicamente o circuito da bomba de calor do circuito de distribuição do edifício.

Um arranjo típico é:

Bomba de calor → Bomba primária → Tanque tampão / separador hidráulico → Bomba secundária → UFH existente ou sistema de bobina de ventilador

Isso permite que o circuito da bomba de calor mantenha o fluxo exigido pela bomba de calor enquanto o circuito existente do edifício opera a uma taxa de fluxo diferente.

Isto é especialmente útil quando:

• várias zonas de aquecimento abertas e fechadas de forma independente;

• O fluxo de distribuição existente difere do fluxo da bomba de calor;

• múltiplas bombas de calor operarem em cascata;

• são utilizadas tanto bobinas de ventilador como aquecimento por piso;

• O volume mínimo do sistema de bomba de calor deve ser mantido;

• A operação de descongelamento requer energia térmica armazenada.

A separação hidráulica permite que os circuladores primários e secundários funcionem a caudais estáveis, mas potencialmente diferentes. (Caleffi SpA)

13E quanto aos radiadores existentes?

Os radiadores requerem uma avaliação mais cuidadosa.

Muitos sistemas de caldeiras mais antigos foram projetados em torno de temperaturas de água relativamente altas.

Uma bomba de calor que funcione a uma temperatura de água muito mais baixa pode, por conseguinte, produzir uma potência insuficiente do radiador.

As soluções possíveis incluem:

• Aumentar o tamanho do radiador;

• Adição de radiadores adicionais;

• Instalação de radiadores com ventilador;

• Melhorar o isolamento dos edifícios;

• Reduzir as perdas de calor dos edifícios;

• Utilizando bobinas de ventilador de baixa temperatura;

• Selecção de uma bomba de calor capaz de deixar a água com temperaturas mais elevadas, se necessário.

O objectivo deve continuar a ser:

Utilize a temperatura de água de abastecimento mais baixa que possa satisfazer a carga de aquecimento do edifício.

Uma temperatura de água necessária mais baixa permite geralmente que uma bomba de calor ar-água funcione a uma COP mais elevada. (Caleffi SpA)

14Não ignore o equilíbrio hidráulico

Após uma adaptação, o fluxo total do sistema pode ser correto enquanto algumas salas ainda recebem aquecimento insuficiente.

- Porquê? Porquê?

Porque a água segue o caminho da menor resistência hidráulica.

Os circuitos curtos podem receber fluxo excessivo, enquanto os circuitos longos estão famintos.

Por conseguinte, a colocação em serviço das adaptações deve incluir:

• Balanço das sucursais;

• Ajuste de fluxo de múltiplos;

• Verificação da pressão diferencial;

• Ajuste da velocidade da bomba;

• Medição da temperatura de abastecimento/retorno;

• Verificação do fluxo terminal.

Os circuitos hidrónicos paralelos são particularmente úteis porque os ramos individuais podem ser equilibrados e controlados de forma independente. (Caleffi SpA)

15. Um fluxo de trabalho prático de modernização da caldeira para a bomba de calor

Para projetos de engenharia, o processo pode ser resumido como:

Passo 1 Calcular a carga do edifício

Determinar as cargas de aquecimento e, se necessário, de arrefecimento de projeto.

↓

Passo 2 Determinação das condições exteriores de projeto

Use as temperaturas locais de inverno e de verão.

↓

Passo 3 Selecionar a capacidade da bomba de calor

Verificar a potência de aquecimento/refrigeração real à temperatura exterior e à temperatura da água de saída necessárias.

↓

Passo 4 Determinação da temperatura da água de abastecimento necessária

Avaliar as bobinas de ventilação, radiadores ou aquecimento de piso existentes.

↓

Etapa 5 Calcular o caudal de água necessário

Utilização:

$$Q=ponto m c_pDelta T$$

↓

Etapa 6 Verificar as tubulações existentes

Verificar o diâmetro, a perda de pressão e a velocidade admissível.

↓

Passo 7 Seleccionar bombas de circulação

Utilize o caudal de projeto e a resistência do sistema calculada, não apenas o diâmetro do tubo.

↓

Passo 8 Decidir se é necessária a separação hidráulica

Considere tanques tampão, separadores hidráulicos e bombeamento primário-secundário.

↓

Etapa 9 Balanço e comissões

Medir o caudal real, a temperatura de alimentação, a temperatura de retorno e o ΔT em condições de funcionamento.

16. Exemplo: 500 kW Reequipamento de aquecimento

Considere um edifício comercial com uma carga de aquecimento de projeto de:

$$500 kW$$

Se o sistema de bomba de calor for concebido em torno de:

$$Delta T=5°C$$

então:

$$Fluxo=frac{500}{1.163 vezes5}$$ $$Fluxo aprox.86 m3/h$$

Isto significa que o circuito hidrónico principal deve ser capaz de transportar aproximadamente86 m3/hem condições de projecto.

Se o circuito da caldeira existente fosse concebido em torno de:

$$Delta T=10°C$$

O seu fluxo de projeto anterior pode ter sido apenas:

$$Flow=frac{500}{1.163 vezes10}$$ $$Fluxo aprox 43 m3/h$$

A nova bomba de calor pode, portanto, exigir aproximadamenteo dobro do caudal de água de projeto.

Esse único cálculo diz imediatamente ao engenheiro o que precisa ser investigado:

A rede de tubulações e as bombas existentes podem suportar o aumento do fluxo?

Se sim, grande parte do sistema original pode permanecer.

Se não, é necessária uma modificação hidráulica.

17O que faz uma adaptação bem sucedida da caldeira para a bomba de calor?

Uma adaptação bem-sucedida requer três sistemas para combinar uns com os outros:

Fonte de calor

A bomba de calor deve fornecer capacidade suficiente em condições reais ao ar livre.

Distribuição de calor

Os canos e bombas devem fornecer um fluxo de água suficiente.

Emitentes de calor

As bobinas do ventilador, os radiadores ou o aquecimento de piso devem fornecer uma potência de saída suficiente no ambiente à temperatura da água seleccionada.

Se qualquer um destes três sistemas for incorrectamente concebido, o sistema pode sofrer:

aquecimento insuficiente → alta temperatura da água → menor COP → maior consumo de eletricidade → má experiência do cliente.

Por esta razão, a adaptação das bombas de calor deve ser sempre considerada como umaProjeto completo de engenharia de sistemas hidrónicos, em vez de simplesmente uma substituição do equipamento.

Perguntas Frequentes

Posso substituir diretamente uma caldeira a gás por uma bomba de calor a ar?

Às vezes, mas o sistema existente deve primeiro ser verificado para a carga de calor, a temperatura da água necessária, saída terminal, fluxo de água, diâmetro do tubo e capacidade da bomba de circulação.Uma substituição direta de um por um sem análise hidráulica pode resultar em mau desempenho.

As bobinas de ventilador existentes podem funcionar com uma bomba de calor ar-água?

Sim, em muitos casos, mas a sua capacidade de aquecimento deve ser verificada nas temperaturas mais baixas da água normalmente associadas ao funcionamento da bomba de calor.Os dados de desempenho do fabricante devem ser utilizados sempre que disponíveis.

O aquecimento por piso existente pode funcionar com uma bomba de calor?

O aquecimento por piso hidráulico é particularmente adequado para bombas de calor porque a sua grande área de emissão permite temperaturas relativamente baixas da água de abastecimento.

Por que uma bomba de calor requer alto fluxo de água?

A transferência de calor depende tanto do fluxo de água quanto da diferença de temperatura entre o fornecimento e o retorno.

Preciso substituir os tubos de aquecimento existentes?

Não necessariamente. A tubulação existente deve ser verificada hidraulicamente contra o novo fluxo e queda de pressão necessários. Se um fluxo aceitável pode ser alcançado sem velocidade excessiva ou cabeça de bomba, a tubulação deve ser testada para determinar se o fluxo é adequado.Os tubos podem permanecer.

Devo instalar um tanque tampão ao substituir uma caldeira por uma bomba de calor?

Um tanque tampão ou separador hidráulico pode ser útil quando a bomba de calor e os circuitos do edifício exigem taxas de fluxo diferentes, quando várias zonas se fecham frequentemente,quando for necessário um volume adicional do sistema, ou quando for necessária uma operação de descongelamento estável.

São as bobinas de ventilador ou o aquecimento por piso melhores para bombas de calor?

O aquecimento por piso oferece excelente eficiência de aquecimento a baixas temperaturas, enquanto as bobinas de ventilação podem fornecer aquecimento e resfriamento com água fria.A melhor escolha depende do tipo de edifício, a procura de aquecimento/refrigeração e a infra-estrutura de distribuição existente.

Conclusão

A substituição de uma caldeira por uma bomba de calor de fonte de ar não é essencialmente uma questão de encontrar uma bomba de calor com a mesma potência de kW.

A verdadeira questão de engenharia é:

A bomba de calor, o sistema de distribuição hidráulica e os emissores de calor existentes podem funcionar juntos na temperatura da água, no caudal e na carga de projecto exigidos?

Uma adaptação profissional começa, por conseguinte, com o cálculo da carga do edifício, seguido da selecção do desempenho da bomba de calor, da verificação do terminal e da análise hidráulica.

Os ventiladores e os sistemas de aquecimento por piso existentes podem muitas vezes ser mantidos, o que pode reduzir significativamente os custos de renovação.temperatura da água, ΔT, caudal, queda de pressão do tubo, desempenho da bomba de circulação e capacidade terminal.

Quando estes elementos estão corretamente combinados, a conversão de um sistema hidrónico baseado em caldeira para uma bomba de calor ar-água pode proporcionar aquecimento eficiente,refrigeração e poupança de energia a longo prazo sem reconstruir desnecessariamente todo o sistema de distribuição.

Nota técnica

As equações e exemplos acima são destinados a uma compreensão preliminar da engenharia.dados meteorológicos de projeto local, cálculos hidráulicos e dados de desempenho certificados do fabricante da bomba de calor/bolha de ventilador.

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