Tipos e características das bombas de calor de fonte de ar com tecnologia de baixo carbono

Resumo: As bombas de calor de fonte de ar têm boas perspetivas de aplicação e foram desenvolvidas em diversos tipos devido ao seu fácil acesso a baixas temperaturas. Os diferentes tipos de bombas de calor de fonte de ar têm as suas próprias características e aplicabilidade, podendo ser selecionados produtos adequados de acordo com o cenário de aplicação. 

O calor a baixa temperatura das bombas de calor de fonte de ar provém do ar ubíquo, pelo que são amplamente utilizadas em projetos com escassos recursos de calor residual e têm amplas perspetivas de aplicação. As bombas de calor de fonte de ar também sofreram um rápido desenvolvimento, surgindo no mercado diversos tipos de produtos.

Os diferentes tipos de bombas de calor de fonte de ar têm as suas próprias características, e este artigo apresenta algumas bombas de calor de fonte de ar comuns.

Bomba de calor elétrica de fonte de ar de compressão

A bomba de calor elétrica com fonte de ar de compressão é o tipo mais comum e a principal tecnologia para muitas regiões converter carvão em eletricidade.

A bomba de calor elétrica de fonte de ar comprimido utiliza um motor elétrico acionado por eletricidade para acionar o compressor, pressurizando o vapor refrigerante de baixa pressão para alta pressão e aumentando a temperatura de condensação. No condensador, o vapor refrigerante condensa e liberta calor, gerando aquecimento externo, enquanto o vapor refrigerante se transforma em refrigerante líquido. Após a despressurização do fluido refrigerante pela válvula borboleta, a temperatura de evaporação diminui. O evaporador absorve o calor do ar exterior, e o refrigerante líquido evapora em vapor refrigerante de baixa pressão, que entra então no compressor para o ciclo seguinte.

A bomba de calor elétrica com fonte de ar comprimido utiliza um compressor e uma válvula de borboleta para dividir o refrigerante em partes de alta e baixa pressão, desempenhando a função de aquecimento a partir do ar de baixa temperatura. Durante este processo, é consumida uma pequena quantidade de eletricidade, sendo que esta energia é também adicionada ao sistema de aquecimento. A bomba de calor elétrica com fonte de ar comprimido tem uma pequena capacidade unitária e é adequada para aquecimento residencial. Se for utilizada para aquecimento centralizado (fornecimento de aquecimento para áreas residenciais, etc.), existem muitas instalações e uma grande área ocupada.

O principal problema das bombas de calor elétricas de fonte de ar comprimido é o congelamento. Quando a temperatura de evaporação do fluido refrigerante é inferior à temperatura do ponto de orvalho do ar, ocorre a formação de gelo na superfície do aquecedor de ar, afetando a eficiência da transferência de calor. O processo de descongelação aumenta o consumo de energia e afeta o conforto. Embora vários fabricantes tenham desenvolvido tecnologias como ilhas de energia e permutadores de calor multizonas para processamento, não há forma de resolver este problema de forma fundamental.

A amplitude de aumento de temperatura das bombas de calor elétricas de fonte de ar de compressão é relativamente elevada e, de acordo com os diferentes tipos de compressor, podem ser divididas em vários tipos, tais como compressão de estágio único, compressão de múltiplos estágios e fornecimento de ar intermédio. Especialmente com a aplicação de fluido de trabalho de CO2, existem mais opções para bombas de calor elétricas de fonte de ar de alta temperatura.

Bomba de calor de fonte de ar de compressão de gás

A bomba de calor de fonte de ar comprimido a gás utiliza um motor a gás para fornecer energia cinética, acionando o compressor. O funcionamento dos restantes componentes é o mesmo de uma bomba de calor de fonte de ar comprimido elétrica. A unidade da bomba de calor de fonte de ar comprimido é relativamente pequena e a potência do motor a gás não é elevada. Pode ser alimentada por um motor de um carro.

As bombas de calor de fonte de ar comprimido a gás também apresentam o problema de congelação. Devido à utilização do gás como energia motriz, o descongelamento pode ser feito com gases de combustão, resultando num maior conforto térmico em comparação com as bombas de calor de fonte de ar comprimido elétricas. No entanto, o custo das bombas de calor de fonte de ar comprimido a gás é relativamente elevado.

Bomba de calor de fonte de ar de absorção de amoníaco

A bomba de calor de fonte de ar com absorção de água e amoníaco adota o princípio do ciclo de absorção, e o fluido de trabalho é uma solução aquosa de amoníaco. Aquecer uma solução concentrada de amoníaco com uma fonte de calor a alta temperatura, evaporar o gás de amoníaco e formar uma solução diluída de amoníaco; a condensação do gás de amoníaco de alta pressão proporciona aquecimento externo enquanto produz amoníaco líquido; o amoníaco líquido sofre evaporação a baixa temperatura após o estrangulamento, absorvendo calor do ar exterior para formar gás de amoníaco; o amoníaco é absorvido pela solução diluída de amoníaco, libertando calor para o exterior, e a solução concentrada de amoníaco resultante entra no ciclo seguinte.

Este processo utiliza amoníaco como refrigerante e água como absorvente. A temperatura de evaporação do amoníaco líquido é muito baixa, o que permite absorver o calor do ar a baixas temperaturas. No entanto, durante o funcionamento da unidade, o amoníaco sofre uma conversão bifásica gás-líquido, resultando numa elevada pressão interna e numa fácil fuga. O gás amoníaco vazado representa um certo nível de perigo e requer proteção e ventilação adequadas.

A capacidade de uma única unidade da bomba de calor de ar com absorção de água e amoníaco é também relativamente pequena. Se a carga de calor for grande, várias unidades têm de ser operadas em paralelo.

O aparelho apresenta também problemas de congelamento. No entanto, como a unidade em si é alimentada por calor de alta temperatura (como gás, vapor, etc.), a descongelação é relativamente simples e tem pouco impacto no conforto térmico.

Bomba de calor de fonte de ar de absorção de brometo de lítio

Todas as bombas de calor de fonte de ar acima mencionadas apresentam problemas de congelação e descongelação. Embora tenham as suas próprias soluções, também afetam o conforto do aquecimento e, mais importante, afetam o COP da bomba de calor e aumentam o consumo de energia. A bomba de calor de fonte de ar com absorção de brometo de lítio resolve completamente o problema de congelação.

A bomba de calor de absorção de ar com brometo de lítio adota um ciclo de absorção para a recuperação do calor residual. No ciclo de absorção de brometo de lítio convencional, a água é utilizada como refrigerante e a solução de brometo de lítio é utilizada como absorvente. A água é o refrigerante e a temperatura de refrigeração deve ser superior a 0 °C, caso contrário a água irá congelar e provocar a avaria do equipamento. Esta é também a razão pela qual as bombas de calor convencionais de absorção de brometo de lítio não conseguem absorver calor abaixo dos 0 °C.

Para resolver este problema, a fonte de ar de absorção de brometo de lítio utiliza um método de pulverização de solução para extrair calor do ar, evitando o problema de congelação da água a 0 ℃ e obtendo a recuperação de calor residual a baixa temperatura.

A bomba de calor de fonte de ar com absorção de brometo de lítio tem uma grande capacidade e não é adequada para aquecimento doméstico. É mais adequada para aquecimento centralizado, especialmente em remodelações de caldeiras com o objetivo de poupar energia. A bomba de calor de fonte de ar com absorção de brometo de lítio adota um método de troca de calor por pulverização, que utiliza uma solução para absorver o calor do ar. Para além de não apresentar o problema da congelação, absorve também o calor latente do vapor de água em ambientes com humidade elevada, melhorando a eficiência da extração de calor.

As bombas de calor de fonte de ar com absorção de brometo de lítio são mais adequadas para aplicação em projetos de aquecimento centralizado a sul. Mesmo com humidade do ar elevada, não congela e, em vez disso, promove a recuperação do calor residual.

Resumo

O mercado das bombas de calor de fonte de ar é vasto e diversificado, adequado para diversos cenários de aquecimento com poupança de energia. A escolha do tipo apropriado de bomba de calor de fonte de ar com base nas características do cenário de aplicação pode proporcionar melhores efeitos de aquecimento.