Ao conceber um sistema de bomba de calor ar-água, uma das decisões mais importantes é a forma como a bomba de calor deve ser ligada hidraulicamente aos terminais de aquecimento e arrefecimento do edifício.

Para instalações relativamente simples, umasistema hidrónico primário ou diretoNo entanto, quando um projecto inclui vários tipos de unidades terminais, tais como aquecimento por piso, radiadores e unidades de ventoinha, os requisitos hidráulicos tornam-se muito mais complicados.

É aqui que umsistema hidrónico secundário, normalmente com um tanque tampão e duas bombas de circulação, torna-se particularmente útil.

Mas será que todas as instalações de bombas de calor precisam de um sistema secundário?

Não necessariamente.

Um sistema hidráulico secundário proporciona melhor estabilidade hidráulica, maior flexibilidade e melhores condições de funcionamento da bomba de calor.consumo de energia de bombeamento, complexidade da instalação e potencial perda de calor.

A compreensão destas compensações é essencial para a concepção de um sistema de bomba de calor eficiente de fonte de ar.

1O que é um sistema hidrónico secundário?

Um sistema hidrônico secundário típico divide o circuito de água em dois circuitos hidráulicos.

O primeiro ciclo é ocircuito primário da bomba de calor:

Bomba de calor → Tanque tampão → Bomba de calor

O segundo ciclo é oCircuito de carga do edifício:

Tanque tampão → Bomba de circulação → Terminais de aquecimento/refrigeração → Tanque tampão

O reservatório tampão funciona, portanto, como a ligação comum entre a fonte de calor e a carga do edifício.

Ao contrário de um sistema direto, a bomba de circulação da bomba de calor não tem necessariamente de fornecer todo o fluxo de água exigido pelo sistema de distribuição do edifício.

Esta é uma das diferenças mais importantes entre os projetos hidrônicos primários e secundários.

2Por que os sistemas de bomba de calor precisam de separação hidráulica?

A bomba de calor e os terminais do edifício não necessitam sempre do mesmo fluxo de água.

Considere um edifício equipado com:

• Radiadores

• Unidades de válvulas de ventilador

• Aquecimento por piso

Cada terminal pode funcionar com diferentes temperaturas da água, diferenças de temperatura (ΔT), caudais, válvulas de comando e horários de funcionamento.

Por exemplo, as condições de projeto típicas podem parecer aproximadamente assim:

Estes valores são referências de projecto e não regras universais; os valores reais devem sempre seguir a selecção do terminal e o cálculo da carga térmica de projecto.

O principal problema de engenharia é simples:

O caudal exigido pela bomba de calor pode não ser igual ao caudal exigido pelo sistema terminal.

Um circuito hidráulico secundário ajuda a separar esses dois requisitos hidráulicos.

Vantagens de um sistema hidrónico secundário

3Vantagem n.o 1: Fluxo de água da bomba de calor mais estável

As bombas de calor exigem normalmente um fluxo mínimo de água através do trocador de calor.

Em um sistema direto, no entanto, termostatos de sala, válvulas de zona, válvulas de radiador termostático ou válvulas de controle da bobina do ventilador podem alterar continuamente o fluxo do sistema.

Imaginem uma casa com oito zonas de aquecimento.

Quando todas as oito zonas estiverem abertas, o fluxo de água pode ser suficiente.

Mas quando seis zonas atingem a sua temperatura definida e fecham as suas válvulas, apenas duas zonas permanecem activas.

A resistência do sistema muda drasticamente e o fluxo através da bomba de calor pode cair abaixo do intervalo de funcionamento recomendado.

Isto pode contribuir para problemas tais como:

• Alarmes de fluxo de água insuficientes

• Diferença excessiva de temperatura de abastecimento/retorno

• Alta pressão de condensação

• Capacidade de aquecimento reduzida

• Função instável do compressor

• Ciclismo frequente

Um sistema secundário reduz esta interação porque a bomba de calor tem o seu próprio circuito de circulação dedicado.

Ingenieria para levar

A bomba de calor vê um ambiente hidráulico mais previsível mesmo quando o fluxo do lado do edifício muda.

Para bombas de calor de inversor, isto pode ser particularmente valioso porque condições de água estáveis ajudam a estratégia de modulação do compressor a funcionar de forma mais eficaz.

4Vantagem n.o 2: Melhor compatibilidade com vários tipos de terminais

Um sistema de aquecimento hidrónico moderno pode conter vários tipos diferentes de terminais.

Por exemplo:

Bomba de calor → Tanque tampão → Radiadores + bobinas de ventilador + aquecimento por piso

Estes terminais raramente exigem exatamente o mesmo caudal e temperatura da água.

O aquecimento por piso funciona geralmente a temperaturas relativamente baixas da água, enquanto os radiadores tradicionais podem exigir temperaturas significativamente mais elevadas.As bobinas de ventilador podem funcionar em ambos os modos de aquecimento e resfriamento e muitas vezes utilizam um ΔT relativamente pequeno do lado da água.

Um sistema secundário facilita a criação de filiais de distribuição separadas utilizando:

• Bomba de circulação independente

• Valvas de mistura

• Válvulas de zona

• Manifolds

• Controles de temperatura

• Regulação da pressão diferencial

Isto proporciona uma flexibilidade de projecto significativamente maior.

5Vantagem # 3: O tanque de amortecimento fornece inércia térmica

Um dos componentes mais importantes de muitos sistemas de bomba de calor secundária é oTanque de amortecimento.

A água tem uma considerável capacidade de armazenamento térmico.

Um tanque tampão aumenta, portanto, o volume total de água do sistema hidrónico e aumenta a inércia térmica.

A energia térmica armazenada pode ser aproximada por:

Q = m × Cp × ΔT

Onde:

• Q= energia térmica armazenada

• m= massa de água

• Cp= capacidade térmica específica da água

• ΔT= diferença de temperatura utilizável

Para os cálculos práticos de HVAC:

1 litro de água armazenará aproximadamente 1,16 Wh para cada variação de temperatura de 1°C.

Por conseguinte, um reservatório tampão de 200 L que opere numa faixa de temperatura utilizável de 5 K armazenará aproximadamente:

200 × 1,16 × 5 ≈ 1,16 kWh

Isto não significa que um tanque tampão seja uma fonte de energia.

Ele simplesmente armazena energia temporariamente e a libera mais tarde.

Essa distinção é importante.

6Vantagem n.o 4: Bomba de calor reduzida Ciclos curtos

Ciclos curtos ocorrem quando uma bomba de calor é ligada, atinge sua temperatura alvo rapidamente, pára e depois reinicia logo depois.

Isto ocorre frequentemente quando:

Output mínimo da bomba de calor > Demanda de calor do edifício atual

Por exemplo, suponha que uma bomba de calor com inversor possa modular até 5 kW, mas o edifício atualmente requer apenas 2 kW.

Sem volume de água suficiente no sistema, a temperatura da água de abastecimento pode aumentar rapidamente.

O controlador atinge a temperatura pretendida e desliga o compressor.

O edifício continua a extrair calor, a temperatura da água cai e o compressor recomeça.

O resultado pode ser:

Começar → Parar → Começar → Parar → Começar

O ciclo repetido do compressor pode:

• Redução da eficiência sazonal

• Aumentar o consumo de electricidade

• Aumentar o arranque do compressor

• Aumentar o desgaste dos componentes

• Causa temperaturas internas instáveis

O volume adicional de água de um tanque tampão de tamanho correto diminui as mudanças de temperatura da água.

Em vez de:

45°C → 50°C muito rapidamente

O sistema pode demorar consideravelmente mais tempo a atingir o limite de controlo.

Isto dá à bomba de calor um ciclo de funcionamento mais longo.

7Vantagem n.o 5: Melhor estabilidade hidráulica durante carga parcial

Os edifícios raramente funcionam a 100% da demanda de aquecimento continuamente.

Durante a primavera e o outono, por exemplo, só uma parte do edifício pode precisar de aquecimento.

Alguns quartos podem atingir as temperaturas estabelecidas, enquanto outros ainda exigem aquecimento.

Isto cria uma condição de fluxo variável.

Um circuito secundário permite que a bomba do lado do edifício responda a essa demanda em mudança, enquanto o circuito do lado da bomba de calor mantém o fluxo exigido pela bomba de calor.

Esta separação hidráulica pode facilitar o controlo do sistema.

8Vantagem n.o 6: Maior flexibilidade para projetos complexos de HVAC

Os sistemas secundários tornam-se particularmente úteis quando o projecto contém:

Bomba de calor + tanque tampão + zonas de aquecimento múltiplas + bobinas de ventilador + radiadores + aquecimento por piso

Também são úteis para:

• Grandes edifícios residenciais

• Hotéis

• Edifícios comerciais

• Escolas

• Vila com zonas de aquecimento múltiplas

• Projetos de modernização

• Sistemas híbridos de aquecimento por piso/radiador

• Sistemas de aquecimento e arrefecimento com vários tipos de terminais

Nestes projectos, a complexidade hidráulica adicional é muitas vezes justificada pela melhor controlabilidade.

Desvantagens de um sistema hidrónico secundário

Um sistema secundário não é automaticamente mais eficiente.

Este é um ponto crítico.

Mais componentes podem resolver problemas hidráulicos, mas cada componente adicional também introduz custos e potencial perda de energia.

9Desvantagem n.o 1: É necessária uma bomba de circulação adicional

Um sistema direto típico pode funcionar com uma bomba de circulação principal.

Um sistema secundário requer normalmente pelo menos dois:

Bomba 1:Bomba de calor ️ Tanque tampão

Bomba 2:Tanque de amortecimento

As zonas de aquecimento adicionais podem exigir ainda mais bombas.

Cada bomba de circulação consome eletricidade.

Por conseguinte:

Um sistema secundário pode melhorar a estabilidade de funcionamento da bomba de calor, aumentando simultaneamente o consumo elétrico auxiliar.

O sistema deve, por conseguinte, ser avaliado com base no consumo energético sazonal total, e não apenas no COP da bomba de calor.

As bombas de circulação ECM de alta eficiência com controlo de velocidade variável são geralmente preferidas.

10Desvantagem n.o 2: Custo inicial mais elevado

Em comparação com uma simples ligação direta, um sistema secundário pode exigir:

• Tanque tampão

• Bomba de circulação adicional

• Mais tubulações.

• Mais válvulas de isolamento

• Valvas de retenção

• Sensores

• Acessórios de expansão

• Valvas de mistura

• Controles adicionais

• Mais trabalho de instalação

Isto aumenta o custo inicial do projecto.

Para uma pequena instalação residencial com um simples circuito de aquecimento por piso, a complexidade adicional pode nem sempre proporcionar benefícios suficientes.

No entanto, para um grande projeto com várias zonas, o custo adicional pode ser justificado.

11Desvantagem n.o 3: Perda de calor adicional

Um tanque tampão não é perfeitamente isolado.

Nem os tubos, válvulas e acessórios adicionais necessários para o circuito secundário.

O calor pode, portanto, ser perdido a partir:

• Paredes de reservatório tampão

• Tubos de distribuição

• Válvulas e acessórios

• Corpos de bombas

• Salas mecânicas

Um bom isolamento pode minimizar essas perdas, mas não pode eliminá-las completamente.

Isto é particularmente importante quando o reservatório tampão é instalado num espaço não condicionado.

12Desvantagem n.o 4: O mau design hidráulico pode reduzir a eficiência da bomba de calor

A adição de um tanque tampão não cria automaticamente um bom sistema.

Um problema comum ocorre quando os caudais primários e secundários estão mal equilibrados.

Deixe:

Vp = caudal da bomba de calor primária

Vs = fluxo secundário do edifício

Se:

Vp > Vs

Uma parte da água quente de abastecimento pode regressar directamente através do tanque tampão para a bomba de calor.

Se:

Versus > Vp

A água de retorno mais fria pode misturar-se ao abastecimento secundário.

Este fenómeno é por vezes referido comomistura hidráulica.

A mistura excessiva pode alterar a temperatura da água entregue aos terminais e pode forçar a bomba de calor a funcionar a uma temperatura de saída de água mais elevada.

Como a eficiência da bomba de calor geralmente diminui à medida que a temperatura da água necessária aumenta, um design hidráulico ruim pode reduzir a COP.

13Desvantagem # 5: O controlo torna-se mais complicado

Um sistema direto é relativamente simples.

A bomba de calor monitora a temperatura da água e controla um circuito hidráulico principal.

Um sistema secundário pode incluir:

• Controlador de bomba de calor

• Bomba de circulação primária

• Bomba de circulação secundária

• Sensor do tanque tampão

• Termostatos de quarto

• Válvulas de zona

• Válvula de mistura

• Compensação climática

• Controles de válvulas de ventilador

• Dispositivos de controlo do aquecimento por piso

Estes componentes devem funcionar juntos corretamente.

Uma lógica de controlo inadequada pode criar situações em que as bombas funcionam desnecessariamente ou a bomba de calor funciona quando há pouca demanda real de aquecimento.

Por conseguinte,A estratégia de controlo é tão importante como o projecto hidráulico.

14É sempre necessário um tanque tampão para uma bomba de calor?

- Não, não.

Este é um dos equívocos mais comuns no projeto de bombas de calor ar-água.

Um tanque tampão deve resolver um problema de engenharia específico.

Pode ser útil quando:

• Volume de água do sistema insuficiente

• Multiplas zonas de aquecimento abertas e fechadas frequentemente

• De outra forma, não se pode garantir o caudal mínimo da bomba de calor

• A potência mínima da bomba de calor excede a procura de carga parcial frequente

• Vários tipos de terminais exigem separação hidráulica

• A operação de descongelamento requer um volume de água disponível adequado

• Os requisitos de fluxo primário e secundário são significativamente diferentes

No entanto, se o sistema já fornece volume de água adequado, fluxo estável, zoneamento adequado e boa modulação da bomba de calor, um grande tanque tampão pode fornecer pouco benefício adicional.

15Tanques de amortecimento maiores nem sempre são melhores.

Outro equívoco comum é:

Se 100 litros são bons, 500 litros devem ser melhores.

Isso não é necessariamente verdade.

Um tanque tampão de grandes dimensões pode:

• Aumentar o custo do sistema

• Aumentar a perda de calor

• Aumentar desnecessariamente o volume de água do sistema

• Aumentar o tempo de aquecimento

• Requer mais espaço de instalação

• Reduzir a capacidade de resposta do controlo

O tamanho do reservatório de amortecimento deve, por conseguinte, ser calculado e não selecionado por hábito.

O volume correto depende de factores que incluem:

• Capacidade da bomba de calor

• Capacidade mínima de modulação

• Tempo mínimo de funcionamento do compressor

• Demandas mínimas de calor de edifícios

• Volume de água do sistema

• Oscilação de temperatura admissível

• Requisitos de descongelamento

• Requisitos mínimos de volume de água do fabricante

Uma relação de engenharia simplificada é:

V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

Quando o volume exigido estiver relacionado com o desequilíbrio térmico que deve ser absorvido durante o período mínimo de funcionamento desejado.

Na concepção prática, os requisitos hidráulicos do fabricante da bomba de calor devem sempre ter prioridade.

16Sistema de bomba de calor primária versus secundária

Nenhum dos dois projetos é universalmente melhor.

A escolha correta depende do edifício e das condições de funcionamento.

17Um exemplo prático

Considere uma casa que utilize uma bomba de calor ar-água com:

Zona A:Aquecimento por piso
Zona B:Radiadores
Zona C:Unidades de válvulas de ventilador

Durante o Inverno, todas as três zonas podem funcionar.

Durante o tempo ameno, só o aquecimento por piso pode exigir calor.

Durante o verão, apenas as bobinas dos ventiladores podem funcionar para arrefecimento.

Por conseguinte, o fluxo do sistema varia significativamente ao longo do ano.

Um projeto hidrónico secundário pode permitir que a bomba de calor mantenha um fluxo primário estável enquanto o sistema de distribuição secundário responde de forma independente à demanda do edifício.

Uma configuração típica pode ser:

Bomba de calor a ar
↓
Bomba de circulação primária
↓
Tanque tampão
↓
Bomba secundária / Manifold de distribuição
↓
Radiadores + bobinas de ventilador + aquecimento por piso

Para o circuito de aquecimento por piso, pode também ser necessário um dispositivo de mistura se a sua temperatura de alimentação necessária for inferior à de outros terminais.

É por isso que os sistemas hidrónicos secundários são comuns em projetos de bombas de calor mais complexos.

18O Princípio de Design Mais Importante

A finalidade de um sistema secundário não é simplesmente adicionar um tanque tampão.

O seu objectivo real é gerir a relação entre:

Fonte de calor fluxo de água armazenamento térmico carga do edifício

Um sistema bem concebido mantém esses quatro elementos equilibrados.

Se a bomba de calor produz mais calor do que o edifício consome atualmente, o sistema precisa de capacidade térmica e lógica de controlo suficientes para evitar um rápido aumento da temperatura e a desligação do compressor.

Se o edifício requer mais calor do que a bomba de calor está produzindo atualmente, o calor armazenado no sistema pode reduzir temporariamente a taxa de declínio da temperatura da água.

Esta inércia térmica ajuda a suavizar o desajuste entre a saída instantânea da bomba de calor e a demanda do edifício.

No entanto, o armazenamento térmico não cria energia.

Em última análise:

Calor produzido pela bomba de calor = Calor fornecido ao edifício + perdas do sistema ± alteração da energia térmica armazenada

Este equilíbrio energético é a base da concepção de bombas de calor hidrónicas.

Conclusão: Quando escolher um sistema hidrónico secundário?

Um sistema hidráulico secundário pode ser uma excelente solução quando uma bomba de calor de fonte de ar serve um edifício complexo com fluxo de água variável, várias zonas de aquecimento ou diferentes unidades terminais.

As suas principais vantagens são:

fluxo estável da bomba de calor, separação hidráulica, aumento do volume de água do sistema, ciclos curtos reduzidos e melhor flexibilidade multi-zona.

As suas principais desvantagens são:

Custo inicial mais elevado, energia elétrica adicional da bomba, maior complexidade de instalação, perda de calor adicional e possibilidade de mistura hidráulica se o sistema for mal concebido.

Por conseguinte, a questão de engenharia não deve ser:

¢Todas as bombas de calor devem ter um tanque tampão?

Uma pergunta melhor é:

O sistema requer separação hidráulica ou massa térmica adicional para manter um funcionamento estável e eficiente da bomba de calor?

Essa pergunta leva a um design de HVAC muito melhor.

FAQ: Sistemas hidrônicos secundários e tanques tampão

O que é um sistema hidrónico secundário?

Um sistema hidrónico secundário separa o circuito da bomba de calor do circuito de distribuição do edifício.Os dois circuitos são normalmente ligados através de um tanque tampão ou outra forma de separação hidráulica.

Por que são utilizadas duas bombas de circulação?

Uma bomba mantém o fluxo de água necessário através da bomba de calor, enquanto a segunda bomba abastece os terminais de aquecimento ou arrefecimento do edifício de acordo com as suas próprias necessidades de fluxo.

Um tanque tampão melhora a eficiência da bomba de calor?

Não automaticamente. Pode reduzir ciclos curtos e estabilizar a operação, o que pode melhorar o desempenho sazonal em certos sistemas.e uma bomba adicional consome eletricidade.

Uma bomba de calor pode funcionar sem um tanque tampão?

Sim, muitos sistemas devidamente concebidos podem funcionar sem um, desde que sejam cumpridos os requisitos mínimos de fluxo, volume mínimo de água, zoneamento, descongelamento e tempo de funcionamento do compressor.

Um sistema secundário é melhor para aquecimento por piso?

Um sistema simples de aquecimento por piso com fluxo estável pode muitas vezes funcionar bem com uma ligação direta.Os sistemas secundários tornam-se mais valiosos quando o aquecimento por piso é combinado com radiadores, bobinas de ventilador, zonas múltiplas ou diferentes requisitos de temperatura da água.

O que acontece se o tanque tampão for muito grande?

Um tanque tampão de tamanho excessivo pode aumentar a perda de calor, o custo de instalação, os requisitos de espaço e o tempo de resposta do sistema sem proporcionar um benefício significativo de eficiência.