Ao projetar um sistema de bomba de calor ar-água, o tanque tampão é às vezes tratado como um simples recipiente de armazenamento de água.

Mas do ponto de vista da engenharia hidráulica, o seu papel pode ser muito mais importante.

Um tanque de amortecimento devidamente concebido pode ajudar:

• Aumentar o volume de água do sistema e a inércia térmica

• Reduzir os ciclos curtos da bomba de calor

• Separar hidraulicamente a bomba de calor do circuito do edifício

• Estabilizar o fluxo de água através da bomba de calor

• Ajudar a recolher e remover o ar arrastado

• Fornecer um local onde os sedimentos possam se depositar

• Simplificar a selecção das bombas

• Facilitar a resolução de problemas e a colocação em serviço

Isto é especialmente importante emsistema hidrónico secundário, quando o circuito da bomba de calor e o circuito de distribuição do edifício funcionam com bombas de circulação separadas.

Então, o que faz exactamente um tanque tampão e quando vale a pena instalar?

Vamos olhar para isso da perspectiva de um engenheiro.

1. O que é um tanque tampão em um sistema de bomba de calor?

Um reservatório tampão é um recipiente de água instalado num sistema hidráulico de aquecimento ou arrefecimento.

Ao contrário de uma garrafa de água quente doméstica, o seu objectivo principal é geralmenteNão armazenar água quente potável.

Em vez disso, contém a água do sistema que circula entre a bomba de calor e os terminais de aquecimento ou arrefecimento.

Num sistema secundário típico, podemos dividir a instalação em dois circuitos:

Circuito primário

Bomba de calor de fonte de ar → Bomba de circulação primária → Tanque tampão → Bomba de calor

Circuito secundário

Tanque tampão → Bomba de circulação secundária → Aquecimento por piso / Radiadores / Ventiladores → Tanque tampão

O reservatório tampão torna-se, portanto, uma interface entre:

Fonte de calor

Esta disposição permite que a bomba de calor e o sistema de distribuição do edifício funcionem em diferentes condições hidráulicas.

2Função n.o 1: Aumento do volume de água do sistema

Esta é provavelmente a função mais conhecida de um tanque tampão.

A água fornece massa térmica.

Quanto mais água um sistema hidrónico contém, mais energia térmica é necessária para mudar sua temperatura.

A relação básica é:

Q = m × Cp × ΔT

Onde:

• Q= energia térmica

• m= massa de água

• Cp= capacidade térmica específica

• ΔT= variação da temperatura da água

Para os cálculos práticos de HVAC, aproximadamente:

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

Por exemplo, um reservatório tampão de 200 litros que opera numa faixa de temperatura utilizável de 5 °C fornece aproximadamente:

200 × 1,16 × 5 = 1,160 Wh

ou sobre:

1.16 kWh de armazenamento térmico

Isto não significa que o tanque de amortecimento produza energia.

Simplesmente dá ao sistema maiorInercia térmica.

E isso pode ser extremamente útil para a operação de bombas de calor.

3Função n.o 2: Redução dos ciclos curtos da bomba de calor

Uma das maiores razões pelas quais os engenheiros consideram um tanque tampão éCiclismo curto.

Imaginem uma bomba de calor com inversor que pode modular até uma potência mínima de aquecimento de 5 kW.

No entanto, a uma temperatura exterior moderada, o edifício pode necessitar apenas de 2 kW.

Temos agora:

Potência da bomba de calor: 5 kW
Demandas de construção: 2 kW
Excesso de potência: 3 kW

Sem volume suficiente de água, essa energia adicional faz com que a temperatura da água aumente rapidamente.

A bomba de calor atinge a temperatura de saída da água e desliga-se.

O edifício continua a consumir calor.

A temperatura da água cai.

A bomba de calor começa de novo.

O resultado é:

ON → OFF → ON → OFF → ON

Isto é ciclismo curto.

O ciclismo frequente pode afetar negativamente:

• Eficiência sazonal

• Estabilidade de funcionamento do compressor

• Conforto interior

• Vida útil dos componentes

• Consumo eléctrico

Ao adicionar volume de água, um tanque tampão diminui a taxa de mudança da temperatura da água.

A bomba de calor pode, portanto, funcionar por períodos mais longos antes de atingir a sua condição de parada.

4Função n.o 3: Equilíbrio da produção de bombas de calor e da procura de edifícios

A produção de calor e a procura de calor dos edifícios quase nunca são perfeitamente iguais em todos os momentos.

Suponha:

Produto da bomba de calor > Crescimento da procura

O excesso de energia térmica aumenta temporariamente a temperatura da água do sistema.

Agora considere a condição oposta:

Demandas de construção > Potência instantânea da bomba de calor

O edifício começa a extrair parte da energia térmica armazenada na água.

Por conseguinte, o reservatório tampão atua como um tampão térmico temporário entre a geração de calor e o consumo de calor.

Uma maneira útil de expressar isto é:

Output da bomba de calor = Carga do edifício + Perdas do sistema ± Mudança da energia armazenada

É por isso que o termoTanque de amortecimentoé apropriado.

Ajuda a amortecer as diferenças de curto prazo entre a fonte de calor e a carga.

5Função n.o 4: Separação hidráulica

Em um sistema hidrónico secundário, uma das funções mais importantes de um tanque tampão é a separação hidráulica.

Considere novamente os dois circuitos.

Lado primário

A bomba de circulação primária é selecionada de acordo com:

• Fluxo necessário da bomba de calor

• Caída de pressão do trocador de calor

• Resistência primária do tubo

• Válvulas e acessórios

• Requisitos de caudal mínimo e nominal do fabricante

Lado secundário

A bomba de circulação secundária pode ter de servir:

• Aquecimento por piso

• Radiadores

• Unidades de válvulas de ventilador

• De vários andares

• Múltiplas zonas de aquecimento

• Válvulas de zona

• Correntes de tubulação longas

• Dispositivos de distribuição

São condições hidráulicas completamente diferentes.

Sem separação, uma bomba pode ser forçada a satisfazer ambos os lados simultaneamente.

Com um sistema secundário devidamente concebido, o circuito da bomba de calor pode ser otimizado para a bomba de calor, enquanto o circuito terminal pode ser otimizado para o edifício.

Esta é uma grande vantagem de engenharia.

6Função n.o 5: Ajudar a retirar o ar do sistema hidrónico

O ar é um dos problemas mais subestimados nos sistemas hidrónicos de HVAC.

Mesmo após o enchimento e a colocação em serviço, pequenas quantidades de ar podem permanecer dissolvidas na água ou ficarem presas em diferentes locais.

O ar pode entrar ou permanecer num sistema devido a:

• Enchimento inicial

• Manutenção

• Fugas

• Fluctuações de pressão

• Gases dissolvidos que saem da solução

• Colocação em serviço inadequada

O ar no sistema pode causar:

• Ruído

• Circulação reduzida

• Fluxo instável

• Transferência de calor reduzida

• Cavitação da bomba

• Corrosão

• Bloqueio de ar

• Performance terminal fraca

Um tanque tampão pode ajudar na separação do ar devido à sua grande área de secção transversal.

7Por que um tanque tampão pode ajudar a remover o ar?

Pense em água fluindo através de um tubo relativamente pequeno.

A velocidade da água pode ser bastante alta.

Assim, pequenas bolhas de ar podem ser transportadas junto com a água em movimento.

Quando a água entra num tanque tampão muito maior, a área de fluxo da secção transversal aumenta drasticamente.

Em consequência:

A velocidade da água diminui.

A velocidade mais baixa torna mais fácil para as bolhas de ar arrastadas se separarem da água e subirem para o topo do tanque.

Se for necessárioAparelho de ventilação automática ou separador de arSe o sistema for instalado num ponto elevado adequado, o ar acumulado pode ser retirado do sistema.

Em termos simplificados:

Fluxo de tubulação de alta velocidade → Tanque tampão → Velocidade mais baixa → Subidas de ar → Saída de ar

Isto pode melhorar a estabilidade do sistema.

Contudo, um reservatório tampão não deve ser considerado um substituto de um separador de ar correctamente concebido quando tal for necessário.

8Função n.o 6: Auxiliar na recolha de sedimentos e impurezas

O mesmo princípio pode funcionar na direção oposta para contaminantes mais pesados.

A velocidade da água diminui quando entra no tanque tampão.

O ar tende a subir.

As partículas mais pesadas tendem a depositar-se.

Os sistemas hidrónicos podem conter contaminantes tais como:

• Resíduos de tubos

• Partículas de ferrugem

• Óxidos metálicos

• Escala

• Resíduo de instalação

• Sólidos em suspensão

Esses contaminantes podem ser provenientes de tubulações, válvulas, acessórios, radiadores antigos ou outros componentes.

Uma drenagem adequada de ponto baixo no tanque de amortecimento pode facilitar a remoção de material sedentário durante a manutenção.

Isto é especialmente útil em sistemas de adaptação onde os radiadores e tubulações existentes já podem conter contaminação.

Novamente, o tanque tampão não substitui um reservatório dedicadoseparador de sujeira ou filtro magnéticoquando estes forem necessários.

Em vez disso, pode complementar a estratégia global de gestão do ar e da sujeira do sistema.

9Por que o ar e a sujeira importam tanto

O ar e a contaminação não são meras questões de manutenção.

Podem afectar directamente o desempenho da bomba de calor.

O ar preso num circuito hidrónico pode reduzir a circulação eficaz da água e a transferência de calor.

Os contaminantes podem potencialmente afectar:

• Máquinas de secagem de partículas

• Bomba de circulação

• Válvulas de controlo

• Caminhões

• Sensores de fluxo

• Máquinas de secagem de partículas

É por isso que uma boa engenharia hidráulica deve considerar não só:

Fluxo + temperatura

mas também:

Qualidade da água + Gestão do ar + Separação de sujeira

Estes fatores tornam-se cada vez mais importantes ao longo da vida do sistema.

10Vantagem dos sistemas secundários: Selecção mais precisa da bomba primária

Esta é uma das vantagens menos óbvias de um sistema secundário.

Quando a bomba de calor está ligada a um tanque tampão através de um circuito primário dedicado, as condições hidráulicas deste circuito são relativamente previsíveis.

O designer pode calcular:

Taxa de fluxo necessária + queda da pressão do tubo + queda da pressão da bomba de calor + resistência da válvula/montagem

Isto torna a selecção da bomba mais precisa.

Em vez de escolher uma bomba grande simplesmente porque toda a rede do edifício é difícil de prever, os engenheiros podem selecionar a bomba primária especificamente para o circuito da bomba de calor.

Por exemplo:

Bomba de calor → Tubulação primária curta → Tanque tampão

é muito mais fácil de calcular do que:

Bomba de calor → Multiplos andares → Diferentes diâmetros de tubos → Válvulas de zona → Radiadores → Bobinas de ventilador → aquecimento por piso → múltiplos colectores

Esta separação é especialmente valiosa em instalações complexas.

11Por que a selecção precisa de bombas é importante para a eficiência energética

As bombas de circulação consomem eletricidade sempre que funcionam.

Uma bomba de grandes dimensões pode criar:

• Velocidade excessiva da água

• Consumo eléctrico mais elevado

• Ruído das válvulas

• Pressão diferencial desnecessária

• Mau comportamento de controlo

Uma bomba de tamanho insuficiente pode causar:

• Fluxo de água insuficiente

• Grande ΔT

• Redução da potência terminal

• Alarmes de bombas de calor

• Performance fraca de aquecimento ou arrefecimento

Por conseguinte:

A bomba de circulação correta não é a maior bomba, é a bomba que pode fornecer o fluxo necessário na cabeça necessária com o controle adequado.

Em um sistema secundário, o loop primário dedicado facilita essa seleção.

12Vantagem: A selecção de bombas secundárias pode concentrar-se no edifício

A bomba de circulação secundária tem um trabalho diferente.

Serve ao edifício.

A sua selecção deve ter em conta factores como:

• Tipo de terminal

• Fluxo terminal exigido

• Comprimento do tubo

• Diâmetro do tubo

• Número de curvas

• Manifolds

• Válvulas de controlo

• Valvas de mistura

• Altura do edifício, se relevante para a concepção do sistema

• Perda de pressão de distribuição

• Demandas simultâneas de zonas

Em projetos reais, estimar todos esses fatores perfeitamente durante o projeto inicial pode ser difícil.

Isto é particularmente verdadeiro em projectos de renovação.

Um sistema secundário ajuda a isolar a incerteza do lado do edifício do circuito principal da bomba de calor.

13As bombas de velocidade variável tornam-se particularmente valiosas

A maioria dos edifícios não requer fluxo máximo o tempo todo.

Considere uma villa com oito zonas de aquecimento.

À noite, talvez apenas três zonas precisem de aquecimento.

Se a bomba secundária continuar a funcionar a velocidade máxima, grande parte da sua energia de bombeamento pode ser desnecessária.

Uma bomba ECM moderna de velocidade variável pode ajustar o seu ponto de funcionamento de acordo com a demanda do sistema.

Por exemplo:

Mais zonas abertas → Maior exigência de fluxo

Menos zonas abertas → menor requisito de fluxo

Isto é particularmente útil em:

• Aquecimento por piso por zonas

• Sistemas de radiadores termostáticos

• Redes de ventoinha

• Instalações de várias salas

O controlo correto da velocidade variável pode reduzir significativamente o consumo de energia auxiliar desnecessário.

14Vantagem: A bomba de calor e as bombas terminais podem ser controladas independentemente

Esta é outra vantagem importante da arquitetura do sistema secundário.

Obomba primáriapodem ser controlados de acordo com a operação da bomba de calor.

Obomba secundáriapodem ser controlados de acordo com a procura do edifício.

Por exemplo:

Circuito primário

Quando a bomba de calor precisar aquecer ou arrefecer:

Bomba de calor ligada → Bomba primária ligada

Quando a bomba de calor parar:

Bomba primária segue a lógica de controle do fabricante

Circuito secundário

Quando uma ou mais salas necessitem de aquecimento:

Demandas da zona → Bomba secundária ligada

Quando todas as zonas estiverem satisfeitas:

Não há demanda → A bomba secundária pode reduzir a velocidade ou parar

Isto permite que a fonte de calor e o sistema de distribuição do edifício funcionem de acordo com as suas próprias necessidades.

15Vantagem: Facilidade de comissionamento e resolução de problemas

Este benefício é particularmente importante para os instaladores e os engenheiros pós-venda.

Num sistema direto, a bomba de calor e toda a rede de distribuição do edifício estão ligadas hidráulicamente.

Se ocorrer um problema de fluxo, o técnico poderá ter de investigar:

Bomba de calor → Bomba → Tubos → Válvulas → Manifolds → Radiadores → Canais de ventilador → Aquecimento por piso

O problema pode estar em qualquer lugar.

Um sistema secundário divide a instalação em dois circuitos mais fáceis de diagnosticar.

Problema do lado primário?

Verifique:

• Bomba de calor

• Bomba primária

• Tubos primários

• Conexões de reservatório tampão

• Sensor de fluxo

• Válvulas primárias

Um problema secundário?

Verifique:

• Bomba secundária

• Válvulas de zona

• Valvas de mistura

• Manifold

• Unidades terminais

• Tubulação de distribuição

Esta separação pode facilitar significativamente a colocação em serviço e a resolução de problemas.

16. Sistemas secundários são especialmente úteis para vários tipos de terminais

Considere um projeto utilizando:

Bomba de calor de fonte de ar + radiadores + bobinas do ventilador + aquecimento por piso

Cada terminal pode ter requisitos diferentes.

Tentar satisfazer todas estas condições com um circuito de fluxo fixo pode tornar-se difícil.

Um sistema secundário proporciona uma flexibilidade muito maior.

Podem ser concebidas bombas, válvulas de mistura, colectores e comandos separados de acordo com os requisitos de cada circuito terminal.

17Outro benefício importante: operação de descongelamento mais estável

As bombas de calor a ar que operam em climas frios e úmidos precisam periodicamente descongelar o trocador de calor externo.

Durante o descongelamento por ciclo inverso, a energia térmica é retirada do lado aquático do sistema.

Se o volume de água disponível no sistema for demasiado pequeno, a temperatura da água pode baixar rapidamente durante o descongelamento.

Um volume de água adequado pode, portanto, ajudar a proporcionar estabilidade térmica durante este processo.

Um reservatório tampão pode contribuir para esta massa térmica disponível.

No entanto, o volume mínimo do sistema exigido e a estratégia de descongelamento devem sempre seguir orequisitos técnicos do fabricante da bomba de calor.

Um tanque tampão nunca deve ser dimensionado apenas com base em suposições.

18Todas as bombas de calor precisam de um tanque tampão?

- Não, não.

Isto é muito importante.

Um tanque tampão fornece muitas funções úteis, mas deve resolver um requisito de engenharia real.

Um sistema simples pode não precisar de um sistema se já fornecer:

• Volume suficiente de água do sistema

• Fluxo de água estável

• Fluxo mínimo adequado através da bomba de calor

• Boa modulação do inversor

• Zonação limitada

• Design hidráulico correto

• Tempo mínimo de funcionamento do compressor aceitável

Por exemplo, um sistema de aquecimento por piso de zona única devidamente concebido pode já conter um volume de água considerável e ter um fluxo estável.

A adição de um grande tanque de amortecimento pode proporcionar pouco benefício adicional.

19Quando vale a pena considerar um tanque tampão?

Um tanque tampão torna-se muito mais valioso quando o sistema tem:

Múltiplas zonas
Os termostatos e as válvulas do quarto alteram frequentemente o fluxo de água.

Tipos múltiplos de terminais
Radiadores, aquecimento por piso e bobinas de ventilador operam sob diferentes condições hidráulicas.

Baixo volume de água do sistema
O sistema não pode satisfazer o volume mínimo exigido pelo fabricante da bomba de calor.

Risco de ciclo curto
A potência mínima da bomba de calor é frequentemente superior à demanda do edifício.

Fluxo variável
Muitas válvulas terminais se abrem e fecham durante o funcionamento.

Requisitos de separação hidráulica
As bombas de calor e os circuitos dos edifícios exigem taxas de fluxo diferentes.

Requisitos de descongelamento
A massa térmica adicional pode ajudar a manter a temperatura da água estável.

Distribuição de edifícios complexos
O circuito secundário tem uma resistência hidráulica difícil de prever.

20. Tanque tampão contra tanque doméstico de água quente: não confunda-los

Isto é particularmente importante para os proprietários de casas e os novos instaladores.

ATanque de amortecimentoe umTanque de água quente domésticodesempenhar diferentes funções.

Tanque tampão

Contém água do sistema hidrónico e suporta:

Sistema de aquecimento / arrefecimento

Tanque de água quente doméstico

Armazenar água quente potável para:

Chuveiros / torneiras / banheiros / cozinhas

Por conseguinte, algumas instalações de bombas de calor podem conter ambos:

Bomba de calor + Tanque tampão + Tanque de aquecimento

Não devem ser tratados como o mesmo componente.

21Um tanque tampão não é uma solução para todos os problemas de design

Este ponto vale a pena sublinhar.

Instalar um tanque tampão não pode corrigir:

• Dimensão incorreta da bomba de calor

• Cálculos deficientes da carga térmica do edifício

• Tubulações de dimensões insuficientes

• Seleção incorreta da bomba

• Má lógica de controlo

• Requisitos excessivamente elevados de temperatura da água

• Má selecção de terminais

• Equilíbrio inadequado do sistema

Um tanque tampão é uma ferramenta, não uma cura para uma engenharia de HVAC pobre.

O sistema completo ainda precisa de ser projetado corretamente.

22Um bom projeto de sistema secundário é sobre controle.

Um sistema secundário atinge todo o seu potencial quando os dois lados são controlados de forma inteligente.

A filosofia básica é:

Lado primário = controlado de acordo com os requisitos da bomba de calor

Lado secundário = controlado de acordo com a procura do edifício

Por exemplo, a bomba de calor pode utilizar:

• Controle da temperatura da água de saída

• Compensação climática

• Temperatura do reservatório tampão

• Modulação do compressor

Enquanto isso, o sistema secundário pode responder a:

• Termostatos de quarto

• Demandas de zonas

• Pressão diferencial

• Temperatura da água de alimentação

• Demandas terminais

• Controle da bomba de velocidade variável

O objectivo não é que ambas as bombas funcionem continuamente a velocidade máxima.

O objectivo é fornecerapenas o caudal e a energia térmica realmente necessários.

23Benefícios do tanque tampão

24O princípio de engenharia por trás de tudo isto

Uma boa instalação de bomba de calor deve equilibrar quatro elementos fundamentais:

Geração de calor

↓

Fluxo de água

↓

Armazenamento térmico

↓

Construção da demanda

O tanque tampão fica na intersecção destes elementos.

Pode ajudar a gerir as diferenças entre:

Produto da bomba de calor

e:

Fluxo primário ️ Fluxo secundário

É por isso que o reservatório tampão pode tornar-se um componente tão importante num sistema hidrónico secundário bem concebido.

Conclusão: Vale a pena instalar um tanque tampão?

Na aplicação certa, absolutamente.

Um tanque tampão devidamente projetado pode fazer muito mais do que simplesmente aumentar a quantidade de água em um sistema de bomba de calor ar-água.

Pode fornecer:

amortecimento térmico, separação hidráulica, estabilização do caudal, redução de ciclos curtos, melhor gestão do ar, recolha de sedimentos, selecção mais fácil da bomba, controlo de circuito independente,e solução de problemas mais simples.

Mas a frase chave é:

Devidamente concebido.

O volume do tanque de amortecimento, as conexões de tubulação, as bombas de circulação, os sensores, as válvulas e a estratégia de controle precisam trabalhar em conjunto.

Para um sistema simples, estável e de zona única, um tanque tampão pode não ser necessário.

Para um sistema complexo comaquecimento por piso, radiadores, bobinas de ventilador, zonas múltiplas ou fluxo de água variável, um sistema hidráulico secundário com um tanque de amortecimento correctamente concebido pode proporcionar vantagens de engenharia significativas.

O melhor sistema HVAC não é aquele com mais componentes.

É aquele em que cada componente tem um propósito de engenharia claro.

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FAQ: Tanques tampão de bombas de calor

Uma bomba de calor de origem de ar precisa de um tanque tampão?

Um tanque tampão é particularmente útil quando é necessário um volume adicional de água do sistema, separação hidráulica, estabilização do fluxo ou prevenção de ciclos curtos.Sistemas simples com volume de água suficiente e fluxo estável podem funcionar sem um.

O que faz um tanque tampão num sistema de bomba de calor?

Um tanque tampão pode aumentar o volume de água do sistema, fornecer inércia térmica, separar hidraulicamente circuitos primários e secundários, ajudar a estabilizar o fluxo, reduzir ciclos curtos,e auxiliar na gestão do ar e dos sedimentos.

Um tanque tampão melhora a COP da bomba de calor?

Um tanque tampão pode melhorar o funcionamento geral do sistema, reduzindo o ciclo e estabilizando as condições hidráulicas, mas também introduz perda de calor.A eficiência do sistema depende do projeto completo.

Um tanque tampão pode ajudar com o ar em um sistema de aquecimento?

Pode ajudar na separação do ar porque a velocidade da água diminui dentro do vaso maior, permitindo que as bolhas de ar arrastadas subam mais facilmente.Pode ainda ser necessário um separador de ar devidamente concebido ou uma abertura automática de ar.

Pode um tanque tampão remover a sujeira de um sistema de aquecimento?

A baixa velocidade da água pode permitir que algumas partículas mais pesadas se depositem, especialmente se o tanque tiver uma drenagem de ponto baixo adequada.ou filtros magnéticos, se necessário.

Onde deve ser instalado um tanque tampão?

A sua posição depende da arquitetura hidráulica e da função pretendida do reservatório.Assim, o projeto de ligação deve ser determinado de acordo com os requisitos do sistema.

Qual o tamanho de um tanque tampão da bomba de calor?

Não existe uma regra universal de litros por kW adequada para todos os projectos.,e requisitos do fabricante.