Quando se projeta umsistema de bomba de calor ar-água, uma decisão importante é a forma como a bomba de calor deve ser ligada hidraulicamente aos terminais de aquecimento e arrefecimento do edifício.

Para aplicações residenciais e comerciais leves relativamente simples, umsistema hidrónico de circuito único, também conhecido comosistema de bomba de calor de ligação directa, é amplamente utilizado.

O princípio é simples:

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

A bomba de calor e as unidades terminais partilham o mesmo circuito de circulação de água sem separação hidráulica entre a fonte de calor e os lados da carga.

Este arranjo oferece vantagens claras: menos componentes, tubulação mais simples, menor custo inicial e potencialmente menor energia de bombeamento.

No entanto, a simplicidade também cria um importante desafio de engenharia:

Uma vez que a bomba de calor e os terminais partilham o mesmo fluxo de água, uma alteração no lado da carga afeta directamente as condições de funcionamento da bomba de calor.

A compreensão deste equilíbrio é essencial antes de decidir se um sistema de circuito único é a solução certa para um projecto.

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

Em um sistema de circuito único, um circuito de água comum liga a bomba de calor directamente aos equipamentos terminais, tais como:

• Aquecimento por piso

• Unidades de válvulas de ventilador

• Radiadores de baixa temperatura

• Canais de manipulação de ar

• Outros terminais hidráulicos de aquecimento ou de arrefecimento

Em muitas instalações, uma bomba de circulação fornece o fluxo de água necessário através da bomba de calor e da rede de distribuição.

Isto significa:

Fluxo da bomba de calor ≈ Fluxo do sistema terminal

Isto é fundamentalmente diferente de um sistema hidráulicamente separado ou primário-secundário, onde o circuito da bomba de calor e o circuito terminal podem operar a taxas de fluxo diferentes.

A simplicidade do arranjo de circuito único é tanto a sua maior vantagem como a sua principal limitação.

2Vantagem: Arquitetura hidráulica simples

A primeira grande vantagem é a simplicidade.

Um sistema de circuito único devidamente concebido pode exigir apenas:

Bomba de calor + Bomba de circulação + Rede de distribuição + Unidades terminais

Ainda são necessários componentes adicionais para segurança, expansão, filtragem e controlo, mas a arquitetura hidráulica fundamental permanece simples.

Em comparação com sistemas mais complicados, isto pode significar:

• Menos bombas de circulação

• Menos tubulação

• Menos componentes de controlo

• Instalação mais fácil

• Uma colocação em serviço mais fácil

• Menor investimento inicial

• Menos problemas potenciais de interação hidráulica entre bombas

Para um pequeno projeto residencial com um circuito principal de aquecimento, esta simplicidade pode ser muito atraente.

3Vantagem: menor energia da bomba de circulação

A eficiência da bomba de calor nunca deve ser avaliada apenas com base no COP do compressor.

O edifício paga em última análise a electricidade consumida pelo edifício.sistema completo.

Isto inclui:

Bomba de calor + bombas de circulação + comandos + aquecedores auxiliares + outros acessórios

A potência da bomba de circulação é, portanto, importante.

Por exemplo, imagine:

Potência de entrada da bomba de calor = 4,0 kW

e:

Imposto de entrada da bomba de circulação = 0,3 kW

O sistema completo consome aproximadamente:

4.3 kW

Se forem adicionadas bombas desnecessárias, a eficiência global do sistema diminui mesmo que a COP da bomba de calor publicada permaneça inalterada.

Isto torna-se cada vez mais importante à medida que as bombas de calor de inversor modernas se tornam mais eficientes.

À medida que a eficiência do compressor melhora, o consumo de energia auxiliar representa uma proporção maior do consumo total de eletricidade do sistema.

4Por que uma bomba de grandes dimensões pode desperdiçar energia

Nas instalações práticas, a resistência hidráulica exata da rede de terminais nem sempre é conhecida.

Os projetistas ou instaladores podem, por conseguinte, escolher uma bomba de circulação maior para assegurar um fluxo suficiente.

O raciocínio é compreensível:

É mais seguro ter muito fluxo do que muito pouco fluxo.

Mas, do ponto de vista da eficiência energética, isto nem sempre é correto.

Uma bomba de circulação de grandes dimensões pode causar:

• Consumo eléctrico excessivo

• Pressão diferencial superior

• Velocidade excessiva da água

• Ruído dos tubos e válvulas

• Sistema reduzido ΔT

• Autoridade da válvula fraca

• Fluxo de desvio desnecessário

Uma bomba de circulação não deve, portanto, ser escolhida simplesmente escolhendo um modelo maior.

A abordagem de engenharia correta é:

Fluxo necessário + queda de pressão do sistema → ponto de funcionamento da bomba

5A energia da bomba torna-se especialmente importante com carga parcial.

A maioria dos sistemas de aquecimento não funciona a plena carga de projecto durante toda a estação de aquecimento.

Mudanças de temperatura no exterior.

Os quartos atingem os seus pontos de fixação.

Os ganhos solares aumentam.

Algumas zonas fecham.

A bomba de calor reduz a frequência do compressor.

Como resultado, o edifício pode exigir apenas uma fração da sua capacidade de aquecimento de projeto durante longos períodos.

Suponha que o sistema completo foi projetado para:

3 m3/h

Mas em condições de carga parcial, os terminais ativos exigem apenas:

1 m3/h

Uma bomba de circulação de grande dimensão com velocidade fixa ou mal controlada pode continuar a funcionar a um caudal muito maior do que o que o sistema terminal realmente requer.

A bomba então consome eletricidade para circular a água que fornece pouca transferência de calor útil adicional.

Isto reduzEficiência sazonal de todo o sistema.

6- Vantagem: Não há mistura hidráulica entre dois circuitos

Outra vantagem importante de um sistema de ligação directa é que normalmente não há separação hidráulica entre a bomba de calor e os terminais.

A água que retorna do edifício vai directamente para a bomba de calor.

Isto evita a mistura que pode ocorrer em alguns arranjos primário-secundário quando as taxas de fluxo primário e secundário são diferentes.

Isto é particularmente relevante para bombas de calor, porque a sua eficiência é fortemente influenciada pela temperatura da água.

Geralmente:

Temperatura da água de aquecimento necessária mais baixa → Elevação do compressor mais baixa → Melhor eficiência da bomba de calor

A mistura desnecessária que eleva a temperatura da água de retorno ou requer uma bomba de calor mais elevada, a temperatura da água de saída, pode, portanto, reduzir a eficiência.

Um sistema de ligação direta correctamente concebido pode proporcionar um caminho térmico muito limpo:

Bomba de calor → Terminal → Bomba de calor

sem mistura intermédia desnecessária.

7Vantagem: Excelente potencial para aquecimento a baixa temperatura

Os sistemas de circuito único podem funcionar particularmente bem comaquecimento por piso.

O aquecimento por piso requer normalmente temperaturas relativamente baixas da água de abastecimento, muitas vezes significativamente mais baixas do que os sistemas tradicionais de radiadores.

Isto é benéfico para bombas de calor ar-água.

Por exemplo, um sistema que opera em torno de:

Água de abastecimento a 35°C

permitirá geralmente que uma bomba de calor funcione de forma mais eficiente do que uma que exija:

Água de abastecimento a 55°C

em condições externas comparáveis.

Uma simples ligação directa entre uma bomba de calor com inversor e uma rede de aquecimento por piso de baixa temperatura devidamente concebida pode, por conseguinte, ser uma solução eficiente.

Mas há uma condição importante:

As características do caudal terminal devem permanecer compatíveis com o caudal de funcionamento exigido pela bomba de calor.

8A principal limitação: a bomba de calor e o fluxo terminal são acoplados

Este é o conceito mais importante para entender.

Em um sistema de circuito único:

Fluxo da bomba de calor = Fluxo de distribuição

ou, mais precisamente, ambos os lados fazem parte do mesmo circuito hidráulico.

Isto significa que o designer não pode otimizar de forma independente o fluxo da bomba de calor e o fluxo terminal.

Veja um exemplo simples.

Em uma condição de funcionamento:

Bomba de calor Fluxo óptimo = 3 m3/h

e todos os circuitos terminais estão abertos.

O sistema funciona perfeitamente.

Mais tarde, a maioria dos quartos atinge seus valores de temperatura.

Apenas uma zona terminal permanece ativa.

Essa zona só pode exigir:

1 m3/h

Agora há um conflito.

A bomba de calor pode preferir:

3 m3/h

enquanto o edifício requer atualmente:

1 m3/h

Um sistema de ligação directa não pode naturalmente fornecer duas taxas de fluxo diferentes ao mesmo tempo.

Esta é a limitação hidráulica fundamental de um sistema de circuito único.

9Por que a carga de construção variável cria um problema

Os edifícios reais mudam constantemente.

Um sistema pode conter seis zonas de aquecimento.

A carga máxima:

6 zonas abertas → fluxo terminal elevado

Com carga média:

3 zonas abertas → fluxo terminal inferior

Com carga mínima:

1 Zona aberta → Fluxo terminal muito baixo

Mas a bomba de calor ainda tem um requisito mínimo de fluxo de água.

Por conseguinte:

Fluxo terminal ↓

não significa necessariamente:

Fluxo necessário da bomba de calor ↓ pela mesma quantidade

Este desajuste torna-se particularmente importante com controlos independentes:

• Zonas de aquecimento por piso

• Unidades de válvulas de ventilador

• Valvas de radiador termostático

• Válvulas motorizadas bidirecionais

10A bomba de calor tem o seu próprio fluxo operacional óptimo.

É importante distinguir entre:

Fluxo mínimo admissível

e

fluxo ideal/design.

O caudal mínimo é normalmente um limite de protecção.

O caudal de projeto é o caudal a que se destina a bomba de calor para atingir o seu desempenho térmico especificado numa determinada condição de ensaio ou de projeto.

Para uma determinada taxa de transferência de calor:

Q ≈ 1,163 × V × ΔT

em que:

• Q = capacidade de transferência de calor, kW

• V = caudal de água, m3/h

• ΔT = diferença de temperatura entre alimentação e retorno, K

A alteração do caudal altera o ΔT e a condição de funcionamento do trocador de calor.

Por conseguinte, o objectivo não deve ser simplesmente:

¢ Manter a água em movimento o suficiente para que a máquina não alarme. ¢

Um objectivo melhor é:

¢Mantenha condições hidráulicas adequadas para uma operação eficiente e estável.

11O lado terminal também tem um fluxo óptimo.

O mesmo princípio aplica-se aos terminais dos edifícios.

Um circuito de aquecimento por piso, um radiador ou uma bobina de ventilador não necessitam de um fluxo máximo de água em todos os momentos.

O seu caudal requerido depende:

• Carga da sala atual

• Temperatura da água de alimentação

• Potência térmica necessária

• Características de transferência de calor no terminal

• Posição da válvula de comando

• Ponto de referência interno

Em carga reduzida, o lado terminal pode beneficiar de um menor fluxo.

Mas se a bomba de calor e o sistema de terminais compartilharem o mesmo circuito de circulação, reduzir o fluxo terminal também reduz o fluxo da bomba de calor.

Isto cria um compromisso de controlo.

12. A troca fundamental de circuito único

Podemos resumir o problema muito simplesmente.

Requisitos da bomba de calor

Preciso de fluxo suficiente para operar de forma eficiente e segura.

Requisito de terminal

¢Só preciso de fluxo suficiente para satisfazer a carga actual do edifício.

Sistema de ciclo único

Devem partilhar o mesmo fluxo hidráulico.

É por isso que um sistema de circuito único pode ser extremamente eficiente nas condições certas, mas menos flexível quando a variação de carga e o zoneamento se tornam complicados.

13Por que o aumento do tamanho da bomba não resolve completamente o problema

Uma solução comum é instalar uma bomba de circulação maior.

Isto pode garantir um fluxo adequado da bomba de calor quando muitos terminais estão abertos.

Mas, quando a demanda terminal se torna pequena, a bomba pode circular significativamente mais água do que o necessário.

Isto pode levar a:

Potência de bomba mais elevada → Consumo auxiliar mais elevado → Eficiência de todo o sistema mais baixa

Pode também criar uma pressão diferencial excessiva quando as válvulas terminais se fecham.

Por conseguinte, o aumento do tamanho da bomba pode resolver um problema enquanto cria outro.

14As bombas de velocidade variável melhoram a situação

As modernas bombas de circulação de velocidade variável ECM fornecem uma solução melhor do que as bombas de grande porte de velocidade fixa.

Dependendo do sistema, o controlo da bomba pode utilizar:

• Pressão diferencial constante

• Pressão diferencial proporcional

• Controle PWM

• 0 ̊10 V sinal

• Controle integrado de bomba de calor

Isto permite que a velocidade da bomba diminua à medida que a carga do sistema diminui.

Os benefícios potenciais incluem:

• Consumo de energia elétrica da bomba menor

• Velocidade da água reduzida

• Pressão diferencial inferior

• Menos barulho

• Melhor eficiência de carga parcial

Contudo, o bombeamento de velocidade variável não elimina completamente a limitação fundamental.

O sistema ainda tem apenas um circuito hidráulico.

A bomba deve ainda encontrar um compromisso entre:

Fluxo necessário da bomba de calor

e

Fluxo exigido no terminal

15Por que a eletricidade de bomba deve ser incluída na eficiência do sistema

Ao comparar diferentes configurações hidráulicas, é útil pensar além do COP da bomba de calor.

Veja o seguinte:

Output de calor útil = 12 kW

Energia elétrica da bomba de calor:

3.0 kW

Energia elétrica da bomba de circulação:

0.3 kW

Se olharmos apenas para a bomba de calor:

COP = 12 ÷ 3,0 = 4.0

Mas se for incluída a potência da bomba:

COP do sistema = 12 ÷ (3,0 + 0,3)

≈3.64

Este exemplo simplificado ilustra um ponto importante:

O consumo de energia elétrica auxiliar pode afectar significativamente a eficiência de todo o sistema.

Para bombas de calor de elevada eficiência, a selecção e o controlo da bomba merecem uma atenção séria.

16Os sistemas de ciclo único podem ser muito eficientes nas condições certas.

Nenhuma destas limitações significa que um sistema de circuito único seja ineficiente.

Pelo contrário.

Um sistema de ligação directa bem concebido pode ser uma das soluções mais eficientes quando:

• A resistência hidráulica é previsível

• O fluxo terminal permanece relativamente estável

• Os fluxos de concepção da bomba de calor e do terminal são compatíveis

• São utilizadas poucas zonas independentes

• Os requisitos de temperatura da água são similares

• Uma bomba de velocidade variável de tamanho correto é utilizada

• O fluxo mínimo da bomba de calor pode ser sempre mantido

Nestas condições, a simplicidade da arquitectura torna-se uma grande vantagem.

17Quando é mais adequado um sistema de ciclo único?

Uma configuração de circuito único é particularmente atraente para:

Pequenos sistemas residenciais

Especialmente quando há um circuito de aquecimento primário.

Aquecimento por piso

Especialmente quando a maioria dos circuitos permanece aberta e opera a temperaturas similares.

Radiadores de baixa temperatura

Quando os requisitos de fluxo hidráulico forem compatíveis com a bomba de calor.

Sistemas simples de bobinas de ventilador

Desde que o caudal terminal variável não comprometa o caudal mínimo da bomba de calor.

Projetos em que a simplicidade é importante

Menos bombas e menos componentes hidráulicos podem facilitar a instalação e a manutenção.

18Quando um sistema de ciclo único torna-se menos adequado?

Um sistema de ligação directa merece uma avaliação mais cuidadosa quando:

• Há muitas zonas independentes.

• Alterações significativas do fluxo terminal

• A maioria das válvulas pode fechar simultaneamente

• Circuitos terminais diferentes exigem fluxos muito diferentes

• Combinação de aquecimento por piso, radiadores e bobinas de ventilador

• São necessárias diferentes temperaturas de alimentação

• Perda de pressão de distribuição elevada

• São necessárias várias bombas de circulação

• Múltiplas bombas de calor operam em cascata

• O fluxo mínimo da bomba de calor é difícil de garantir

Nestas situações, a separação hidráulica pode proporcionar um melhor controlo.

19. Single-Loop versus Primary-Secondary não é uma questão de “Bom versus Mau”

Um erro comum é tratar a decisão como:

Single-Loop = Simples / Barato

e

Ensino primário-secundário = profissional / melhor

Isto é incorreto.

Ambas as arquiteturas têm aplicações válidas.

A pergunta correta é:

A fonte de calor requer o mesmo caudal que o lado da carga no intervalo de funcionamento esperado?

Se a resposta for, em geral, sim, a ligação direta pode ser uma excelente solução.

Se a resposta for frequentemente negativa, a separação hidráulica torna-se muito mais atraente.

20Vantagens e limitações de uma olhada

21. O que os engenheiros devem verificar antes de escolher um sistema de ciclo único?

Antes de selecionar uma arquitetura hidráulica de ligação directa, calcular ou verificar:

Lado da bomba de calor

• Fluxo de água de projeto

• Fluxo mínimo admissível de água

• Fluxo máximo admissível

• ΔT exigido

• Caída de pressão no lado da água

• Volume mínimo de água do sistema

Lado da distribuição

• Fluxo terminal de projeto

• Fluxo terminal mínimo

• Número de zonas

• Diminuição da pressão do tubo

• Caída da pressão da válvula

• Queda de pressão terminal

• Circuitos ativos máximos e mínimos

Bomba de circulação

• Fluxo de concepção

• Cabeça disponível

• Eficiência da bomba

• Capacidade de velocidade variável

• Estratégia de controlo da carga parcial

Operação do sistema

• Fluxo de carga total

• Fluxo de carga parcial

• Fluxo de carga mínima

• Operação de aquecimento

• Operação de arrefecimento

• Operação de descongelamento

A arquitetura hidráulica só deve ser selecionada após compreensão destas condições de funcionamento.

22O Princípio de Engenharia Mais Importante

As vantagens e limitações de um sistema de circuito único vêm da mesma característica:

A bomba de calor e o sistema de terminais são ligados hidráulicamente por um circuito de água comum.

Esta disposição prevê:

Simplicidade + Menos Bombas + Menos Mistura

mas também cria:

Combinação de fluxo + Independência hidráulica limitada

Não há contradição.

É simplesmente um trade-off de engenharia.

Conclusão

Asistema de bomba de calor hidrónica de circuito únicoPode ser simples, fiável e altamente eficiente em termos energéticos quando a bomba de calor e o sistema de terminais possuem requisitos hidráulicos compatíveis.

As suas principais vantagens incluem:

Arquitetura simples + Menos bombas + Consumo auxiliar menor + Sem mistura hidráulica desnecessária

A sua principal limitação é igualmente clara:

A bomba de calor e os terminais do edifício não podem controlar independentemente o seu fluxo de água.

À medida que a carga do edifício muda, o caudal ideal exigido pelos terminais pode diferir significativamente do caudal exigido pela bomba de calor.

É por isso que a selecção da bomba de circulação, a estratégia de zoneamento e a análise hidráulica da carga parcial são tão importantes.

Para o aquecimento por piso residencial simples e outras aplicações hidrónicas relativamente estáveis, a ligação direta pode ser uma excelente escolha.

Para sistemas complexos de várias zonas com fluxo altamente variável, múltiplos tipos de terminais ou diferentes requisitos de temperatura,separação hidráulica ou uma arquitetura primária-secundária pode proporcionar um melhor controlo do sistema.

O objectivo da engenharia nunca deve ser tornar o sistema o mais simples ou o mais complicado possível.

Deve ser:

Utilize a arquitetura hidráulica mais simples que permita que a bomba de calor e o sistema de terminais funcionem de forma eficiente, segura e fiável em toda a gama de cargas.

Perguntas Frequentes

É mais eficiente um sistema de bomba de calor de circuito único?

Pode ser. Menos bombas de circulação e uma mistura hidráulica reduzida podem melhorar a eficiência de todo o sistema. No entanto, um tamanho de bomba pobre ou grandes desajustes de fluxo em carga parcial podem reduzir essas vantagens.

Por que é importante a potência da bomba de circulação?

A bomba funciona como parte do sistema de aquecimento completo e consome eletricidade.

Uma bomba de circulação maior é mais segura?

Não necessariamente. O tamanho excessivo pode aumentar o consumo de eletricidade, a pressão diferencial, a velocidade da água e o ruído. A seleção da bomba deve basear-se nos requisitos de caudal e cabeça calculados.

Por que o aquecimento por piso é adequado para um sistema de bomba de calor de ciclo único?

O aquecimento por piso geralmente funciona a baixas temperaturas da água e pode fornecer fluxo relativamente estável quando projetado adequadamente, ambos favoráveis à eficiência da bomba de calor ar-água.

Qual é a maior desvantagem de um sistema de circuito único?

A bomba de calor e o sistema de terminais compartilham o mesmo circuito hidráulico, de modo que não podem operar independentemente a taxas de fluxo diferentes.

Quando se deve considerar um sistema primário-secundário?

Deve ser avaliada quando a bomba de calor e os circuitos terminais exigirem caudais significativamente diferentes ou que variem de forma independente, quando forem necessárias várias bombas,ou quando o edifício contém zonas complexas e temperaturas terminais diferentes.