Imagine um prédio de escritórios de quatro eares em Guangzhou, em julho. A carga de resfriamento está aumentando, todos os andares precisam de ar frio e, ainda assim, o teto permanece silencioso – sem ventiladores do condensador funcionando. O que torna isso possível é um ciclo de água movendo-se silenciosamente pelo edifício. Dentro de cada sala de planta, um bomba de calor de fonte de água (WSHP) faz o mesmo trabalho que um ar condicionado, mas com uma diferença crucial: troca calor com a água, não com o ar exterior.
A resposta direta: uma bomba de calor de fonte de água é uma máquina de refrigeração que absorve calor de um circuito de água encanada no modo de aquecimento ou rejeita calor para esse mesmo circuito no modo de resfriamento. Ele move o calor de um lugar para outro em vez de criá-lo. Como o circuito de água permanece a uma temperatura muito mais estável do que o ar exterior, o compressor realiza menos trabalho e a unidade fornece aquecimento ou arrefecimento mais útil por cada quilowatt de electricidade que consome.
A resposta curta: como uma bomba de calor de fonte de água move o calor
Todas as bombas de calor, incluindo WSHPs, funcionam no mesmo ciclo de refrigeração de quatro etapas: evaporar, comprimir, condensar, expandir . No modo de aquecimento, o refrigerante líquido frio entra no trocador de calor do lado da água, absorve o calor da água e ferve em vapor de baixa pressão. O compressor puxa esse vapor e aumenta sua pressão e temperatura. O gás quente de alta pressão flui então para a serpentina interna, onde se condensa novamente em líquido e libera calor no ar ambiente ou em um sistema de aquecimento hidrônico. Uma válvula de expansão térmica mede o líquido de volta ao evaporador e o ciclo se repete.
No modo de resfriamento, uma válvula reversora de quatro vias inverte o fluxo. A serpentina interna torna-se o evaporador e absorve o calor da sala, enquanto o trocador de calor do lado da água se torna o condensador e despeja esse calor no circuito de água. O resultado é que uma máquina pode fornecer aquecimento e resfriamento usando um único circuito de água .
Os quatro componentes que fazem o trabalho
O compressor
O compressor is the heart of the system. It raises refrigerant pressure and temperature so that heat can be released at a useful temperature on the indoor side. Small packaged WSHPs typically use rotary or scroll compressors; larger commercial systems use screw compressors or multi-compressor parallel arrangements. A scroll compressor has fewer moving parts than a reciprocating type and handles partial loads well, which is why scroll units dominate packaged WSHPs. In large plants, screw compressors provide high reliability and good efficiency under continuous duty.
A válvula reversora de quatro vias
A válvula reversora é o que diferencia uma bomba de calor de um ar condicionado comum. Quando a válvula muda, a direção do fluxo de refrigerante inverte, trocando as funções do evaporador e do condensador. Um pequeno piloto solenóide move o carretel principal. No modo de aquecimento, o gás quente é direcionado para a serpentina interna; no modo de resfriamento, o gás quente é direcionado para o trocador de calor do lado da água.
O trocador de calor refrigerante-água
É aqui que o WSHP ganha seu nome. Em vez de uma bobina com aletas e um ventilador externo, o WSHP usa um trocador de calor de placas soldadas ou um trocador de calor de casco e tubo. A água flui em um lado da superfície de transferência de calor; o refrigerante flui por outro. Como a água tem um coeficiente de transferência de calor muito maior que o ar, esse trocador pode ser fisicamente menor que uma serpentina de ar enquanto movimenta a mesma quantidade de calor. Em sistemas maiores, o lado da água é muitas vezes uma construção de casco e tubo, essencialmente a mesma tecnologia que o condensador resfriado a água de casco e tubo utilizado em instalações de refrigeração industrial. A escolha do material do tubo é importante: os tubos de cobre são padrão em muitas unidades comerciais, enquanto os tubos de aço inoxidável são preferidos para aplicações agressivas ou de água do mar.
Fabricantes de condensadores resfriados a água de casco e tubo da série OEM / ODM KCWS, fábrica Como um fabricante de condensador resfriado a água de casco e tubo da série KCWS na China e atacado de condensador resfriado a água de casco e tubo da série KCWS ... Ver Produto → O dispositivo de expansão
Entre o condensador e o evaporador, o dispositivo de expansão – geralmente uma válvula de expansão termostática (TXV) ou uma válvula de expansão eletrônica (EEV) – diminui a pressão do refrigerante e mede o fluxo correto no evaporador. Um EEV responde mais rapidamente às mudanças de carga e mantém o superaquecimento mais restrito, o que melhora a eficiência em carga parcial. Isto é importante num sistema WSHP porque as temperaturas da água que entra mudam ao longo do ano, pelo que o dispositivo de expansão tem de se adaptar continuamente.
Modo de aquecimento e modo de resfriamento: o mesmo ciclo ao contrário
Modo de aquecimento
No modo de aquecimento, o circuito de água é a fonte de calor. Para a maioria dos projetos de circuitos comerciais, a água entra na unidade por volta de 50°F a 68°F (10°C a 20°C) . O refrigerante absorve o calor dessa água e evapora. O compressor então eleva o gás a uma temperatura alta o suficiente para que a serpentina interna forneça ar quente - normalmente de 32°C a 40°C (90°F a 105°F). Contanto que o circuito permaneça acima de aproximadamente 7°C (45°F), a unidade pode manter o aquecimento útil sem depender de aquecimento elétrico de reserva.
Modo de resfriamento
No modo de resfriamento, o circuito se torna um dissipador de calor. A água do circuito de retorno normalmente fica entre 70°F e 90°F (21°C a 32°C) . A serpentina interna absorve o calor da sala, o compressor aumenta a temperatura do refrigerante bem acima da temperatura da água e o trocador de calor refrigerante-água transfere esse calor para o circuito. Quanto mais quente a água do circuito, mais intensamente o compressor deve trabalhar – e é por isso que o controle da torre de resfriamento e a redefinição da temperatura da água são partes tão importantes de uma planta WSHP bem administrada.
Circuito fechado, circuito aberto e circuitos de construção: de onde vem a água?
As WSHPs trabalham com diversas fontes de água. A escolha afeta tanto a eficiência quanto o custo instalado.
| Tipo de sistema | Fonte de água | Temperatura típica da água de entrada | Mais adequado para |
|---|---|---|---|
| Loop de terra fechado | Tubo HDPE enterrado com mistura de água e glicol | 32°F a 70°F (0°C a 21°C) por temporada | Casas e edifícios comerciais com terreno para furos |
| Circuito aberto (água de poço) | Água subterrânea bombeada através do trocador de calor | 45°F a 60°F (7°C a 16°C) | Propriedades com água de poço limpa e confiável e reinjeção ou drenagem aprovada |
| Loop de construção com caldeira e torre de resfriamento | Circuito de água compartilhado do edifício; caldeira adiciona calor, torre rejeita calor | 60°F a 90°F (16°C a 32°C) | Escritórios multilocatários, hotéis, edifícios de uso misto |
| Circuito de lago ou rio | Circuito fechado submerso em águas abertas | 35°F a 75°F (2°C a 24°C) | Edifícios perto de corpos de água profundos |
A maioria das grandes instalações comerciais de WSHP utiliza um circuito de construção compartilhado. Cada unidade interna é pequena o suficiente para caber em um teto vazio ou em uma pequena sala de plantas, e todas as unidades utilizam o mesmo circuito de água de dois tubos. Quando algumas zonas precisam de calor enquanto outras precisam de resfriamento, o calor rejeitado pelas zonas de resfriamento é absorvido pelas zonas de aquecimento — um recurso chamado recuperação de calor . Isto pode reduzir largamente a energia simultânea de aquecimento e arrefecimento, o que é uma das principais razões pelas quais os proprietários de edifícios escolhem sistemas de fonte de água.
Por que a água vence o ar: WSHP vs bomba de calor de fonte de ar
Ambos os sistemas usam o mesmo ciclo de compressão de vapor. A diferença é o meio do lado externo. O ar muda de temperatura com o clima; a água em circuito fechado permanece muito mais estável. Essa estabilidade muda todo o quadro de desempenho.
| Aspecto | WSHP | Bomba de calor de fonte de ar (ASHP) |
|---|---|---|
| Fonte/dissipador de calor | Ciclo de água, estável durante todo o ano | Ar externo, oscilações com o clima |
| Desempenho de aquecimento | Degrada lentamente à medida que a temperatura do circuito cai | COP cai drasticamente em clima gelado |
| Desempenho de resfriamento | Estável mesmo em dias muito quentes | Cai em temperaturas ambientes acima de cerca de 95°F (35°C) |
| Ruído | Silencioso; sem ventilador externo | Ruído do ventilador do condensador externo |
| Espaço | Nenhuma unidade na cobertura; sala de plantas internas ou vazio no teto | Precisa de unidade externa e espaço livre ao seu redor |
| Instalação | Mais tubulação; infraestrutura de circuito de água necessária | Geralmente mais simples em edifícios reformados |
| Manutenção | Tratamento de água, cuidados com bombas e trocadores | Limpeza de bobinas e acesso ao refrigerante ao ar livre |
Porque a água tem mais de 3.000 vezes a capacidade térmica volumétrica do ar , um trocador de calor água-refrigerante pode ser muito menor do que uma serpentina de ar com a mesma função. Para o compressor, o número importante é o aumento da temperatura. Com a entrada de água a 60°F no aquecimento de inverno, o compressor aumenta o refrigerante de cerca de 50°F para 100°F – uma elevação de 50°F. Uma unidade de fonte de ar em climas gelados pode precisar elevar o refrigerante de -10°F para 100°F – uma elevação de 110°F. Aproximadamente metade da elevação significa aproximadamente o dobro do COP de aquecimento. Essa relação física é a verdadeira razão pela qual os sistemas de fontes de água proporcionam melhor eficiência sazonal. Para ver até onde o mesmo princípio se estende, observe o gama completa de condensadores e evaporadores usado em usinas hidrônicas modernas.
Eficiência em Números: COP, EER e o que esperar
COP (coeficiente de desempenho) é a relação entre aquecimento ou resfriamento útil e a entrada elétrica. Um COP de 4,0 em aquecimento significa que para cada 1 kW de eletricidade que o compressor consome, a unidade fornece 4 kW de calor. EER (índice de eficiência energética) é o equivalente de resfriamento, normalmente expresso em Btu por watt-hora.
O que um comprador pode esperar realisticamente de um WSHP moderno?
- COP de aquecimento entre 3,5 e 5,5 para a maioria dos sistemas de fonte de água, dependendo da temperatura da água de entrada.
- Resfriamento EER entre 14 e 22 Btu/Wh em loops comerciais típicos.
- Melhor desempenho em carga parcial, porque o compressor modula ou cicla menos sob condições amenas.
- O Departamento de Energia dos EUA relata que as bombas de calor geotérmicas e de água para ar podem reduzir o consumo de energia em cerca de 25 a 50 por cento em comparação com bombas de calor de fonte de ar em edifícios semelhantes (fonte: Departamento de Energia dos EUA, visão geral da bomba de calor geotérmica).
| Inserindo a temperatura da água (modo de aquecimento) | Faixa COP típica |
|---|---|
| 50°F (10°C) | 4,2 a 5,5 |
| 60°F (16°C) | 4,0 a 5,0 |
| 70°F (21°C) | 3,5 a 4,2 |
Observe a tendência: a água mais fria do circuito significa um COP mais baixo, razão pela qual os circuitos terrestres e a água dos poços – que permanecem mais quentes no inverno do que o ar exterior – produzem melhor eficiência no inverno do que os equipamentos de fonte de ar.
Cinco considerações de design que decidem o desempenho no mundo real
- Taxa de fluxo de água. Cada unidade precisa de fluxo suficiente para transportar calor sem energia excessiva da bomba. As unidades comerciais de fontes de água são comumente especificadas em 2,5 a 3 galões americanos por minuto por tonelada de resfriamento ; sistemas maiores usam fluxos mais baixos com diferenças de temperatura mais altas.
- Entrando na faixa de temperatura da água. Mantenha as temperaturas do circuito dentro dos limites do fabricante – normalmente 50°F a 95°F (10°C a 35°C) no resfriamento and 45°F a 75°F (7°C a 24°C) no aquecimento — para proteger o compressor e manter as classificações de capacidade válidas.
- Qualidade da água e incrustações. Os trocadores de calor de placas possuem canais estreitos; detritos, incrustações ou crescimento biológico podem reduzir rapidamente a transferência de calor e aumentar a pressão de condensação. Use filtros, tratamento de água e – para água agressiva – trocadores de calor de aço inoxidável.
- Proteção contra congelamento. Os loops de aterramento precisam de uma mistura de água e glicol; construir circuitos em espaços não aquecidos precisa de anticongelante, traceamento térmico ou um procedimento de drenagem confiável.
- Redefinição da temperatura do circuito. Controle a temperatura do circuito com base nas condições externas e na demanda da zona. Aumentar a temperatura do circuito no resfriamento ou reduzi-la ligeiramente no aquecimento reduz a elevação do compressor e reduz o uso de energia em toda a planta.
Combinando o circuito de água com o equipamento de refrigeração correto
Uma bomba de calor de fonte de água é um elemento de um sistema de refrigeração hidrônica maior. Os mesmos princípios de engenharia – compressão confiável, troca de calor no lado da água limpa e controle estável do refrigerante – se aplicam ao restante da planta. Para as equipes de projeto que montam sua própria solução de sala de fábrica, a escolha do condensador, do resfriador e da unidade condensadora decide se o circuito atingirá realmente a eficiência do projeto.
No lado do resfriamento, um pacote resfriador resfriado a água é a forma padrão de remover o calor do circuito quando o edifício possui uma torre de resfriamento. No lado da troca de calor, o condensador resfriado a água de casco e tubo transfere calor entre o refrigerante e a água sobre uma superfície grande e fácil de limpar. Em plantas com evaporadores alimentados por bomba, um unidade de condensação da bomba de barril fornece a recirculação necessária para manter o fornecimento de refrigerante estável sob cargas variadas.
Fabricantes de unidades de condensação de bomba de barril OEM / ODM KTB, fábrica - Zhejiang Kaidi Como fabricante de unidade de condensação de bomba de barril KTB na China e fábrica de unidade de condensação de bomba de barril KTB oem / odm no atacado, Zhejiang Kaidi Re ... Ver Produto → 
Fornecedor de resfriador resfriado a água personalizado, empresa Zhejiang Kaidi Refrigeration Equipment Co., Ltd. é um fornecedor de resfriadores resfriados a água na China e resfriadores resfriados a água personalizados, oferecendo soluções ... Ver Produto → Se você estiver projetando uma instalação de armazenamento refrigerado ou de processo de resfriamento, a mesma lógica de seleção se aplica quando Escolhendo uma unidade condensadora para aplicações de armazenamento refrigerado . Você também precisa combinar o equipamento com a faixa de temperatura do circuito, a qualidade da água e o perfil de carga parcial esperado – e vale a pena discutir esses parâmetros com um engenheiro de aplicações antes de finalizar o pacote.
Conclusão prática: o WSHP é tão eficiente quanto o resto da planta hidrônica. Bombas superdimensionadas, água não tratada ou uma torre de resfriamento subdimensionada irão desgastar rapidamente a vantagem do COP. Comece com o projeto do circuito e, em seguida, selecione o pacote do compressor e do trocador de calor em torno dele.
Perguntas frequentes sobre bombas de calor para fontes de água
As bombas de calor de fonte de água funcionam em climas frios?
Sim. No modo de aquecimento, uma unidade água-ar ainda pode fornecer um COP de 3,0 ou melhor com entrada de água a 40°F (4°C), que está muito acima das temperaturas do ar no inverno na maioria das regiões frias. A razão pela qual funciona em Harbin, Minneapolis ou Oslo é simples: o circuito está enterrado no subsolo ou extraído de águas subterrâneas, de modo que as temperaturas do ar no inverno nunca atingem a fonte de calor.
Uma bomba de calor de fonte de água é igual a uma bomba de calor geotérmica?
Não exatamente. Uma bomba de calor geotérmica ou de fonte subterrânea é um tipo de sistema de fonte de água. Ele usa um circuito fechado de aterramento ou água de poço como fonte e dissipador de calor. Mas muitos WSHPs funcionam em um circuito de construção com uma torre de resfriamento e caldeira – sem nenhuma conexão à terra. Todas as bombas de calor geotérmicas são sistemas de fonte de água; nem todas as bombas de calor de fonte de água são geotérmicas.
Um circuito de água pode aquecer e resfriar zonas diferentes ao mesmo tempo?
Sim, e essa é uma das maiores vantagens de um sistema WSHP. Cada unidade interior decide independentemente se aquece ou arrefece. Quando um escritório necessita de refrigeração e outro de aquecimento, o circuito transfere calor de um para o outro, e a caldeira e a torre de resfriamento apenas fazem a diferença.
De que manutenção necessita uma bomba de calor de fonte de água?
Três áreas são importantes: qualidade da água, carga de refrigerante e limpeza do ar. O circuito precisa de filtração regular e tratamento de água para evitar incrustações em trocadores de calor de placas ou de casco e tubo; as superfícies dos trocadores de calor devem ser inspecionadas anualmente; e as serpentinas e filtros internos precisam do mesmo cronograma de limpeza que qualquer unidade fan-coil. Como não há ventilador do condensador externo, os problemas usuais de corrosão e detritos das unidades externas desaparecem em sua maioria.
Quanto tempo dura uma bomba de calor de fonte de água?
Com o tratamento correto da água, um WSHP comercial de qualidade normalmente atende 20 a 25 anos , e o próprio circuito de água pode durar 50 anos ou mais. O circuito refrigerante é vedado e o compressor é protegido pela temperatura estável do circuito — ao contrário das unidades rooftop que sofrem ciclos térmicos extremos. Muitos proprietários consideram que a localização interna do equipamento é a verdadeira vantagem para toda a vida: ele nunca vê neve, sal ou sol de verão.
Como escolho entre água-água e água-ar?
As unidades água-ar são as mais comuns em edifícios de escritórios porque condicionam os espaços ocupados diretamente através de dutos. As unidades água-água são utilizadas quando o edifício possui distribuição hidrônica – piso radiante, tetos resfriados ou água de resfriamento de processo – porque produzem água aquecida ou resfriada em vez de ar quente. Para processos industriais, como resfriamento a laser ou processamento de alimentos, a arquitetura água-água costuma ser a correta.
O resultado final
Uma bomba de calor de fonte de água é simplesmente uma máquina de refrigeração que usa um circuito de água como fonte de calor e dissipador. Os componentes são convencionais, o ciclo é o ciclo padrão de compressão de vapor e a vantagem de eficiência vem quase inteiramente da estabilidade da temperatura da água. Esteja você projetando uma torre de escritórios de 40 andares, um armazém frigorífico ou um sistema de resfriamento de processo, o conceito WSHP é o mesmo - e as opções de equipamentos no lado da água, de trocadores de calor a placas a condensadores de casco e tubo, decidem o desempenho desse conceito em operação real.
