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Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda nov 26, 2012 7:13 pm
por hynek
Bomba de calor low-cost para aquecimento central e águas sanitárias (AQS)

Vou descrever alguma experiência com uma bomba de calor que construi e estou a testar actualmente em minha casa. Quem não estiver com pachorra, pode saltar para o resumo no fim.

Fiz pesquisa exaustiva na Internet e cheguei à conclusão que as bombas de calor para produção do calor são as mais promissoras, embora o preço desta tecnologia é algo proibitivo. Pensei assim - qualquer ar condicionado é uma bomba de calor. Uma unidade de 12.000 BTU (3,5 kWh), das baratas, custa uns 200 €. A minha casa tem perda energética de uns 5 kW a 0 ºC no exterior e uns 3 kW com 5 ºC no exterior. Se eu conseguir adaptar essa máquina para trabalhar para o circuito de aquecimento central, cobria uns 80% das minhas necessidades energéticas em calor e poderia temperar a casa para manter uns 18 ºC no interior quando fora estiver apenas 5 ºC.

Comprei então uma AC por 200 €, li algures, que a melhor maneira era usar uns permutadores, por isso mandei vir 3 de 5 kW. Um para ligar ao ar condicionado (circuito primário) para aquecer água do circuito secundário, ligado a um depósito (acumulador) de 120 Lt. Assim dava para aquecer águas sanitárias e também o circuito de aquecimento central por via de um outro permutador.

Como, na altura, era leigo nesta área, as coisas não correram muito bem, mas os erros iam-se corrigindo. O sistema passou a trabalhar razoavelmente. Comecei a medir o COP (razão entre energia consumida e energia produzida, p.ex.: o COP 3 significa que a bomba de calor ao consumir 1 kW de energia eléctrica debita 3 kW de energia térmica) e não era grande coisa. Mas já compensava. O investimento em material rondava uns 900 €, o trabalho era meu. Por isso comecei a pensar como melhorar o sistema. Comecei a aprofundar os meus conhecimentos em termodinâmica e afins.

Abordei uma empresa de área de bombas de calor, ar condicionado, etc. e expliquei-lhes a minha ideia de fazer um sistema low-cost com bomba de calor do ar condicionado vulgar. Ficaram interessados e proporcionaram-me condições para desenvolver a ideia.

No último ano e meio fiz várias experiências e testes. Construí mais de uma dezena de máquinas de várias potências, aproveitando o material usado e da sucata, experimentei gás R410a e R134a, aprendi conceber e dimensionar as máquinas para a finalidade pretendida. Durante centenas horas de testes procurei optimizar as máquinas, com dezenas e dezenas de alterações e intervenções.

Durante os testes cheguei à conclusão, que os permutadores não são uma solução mais adequada. Por isso calculei e desenhei um depósito novo, com uma espiral para gás quente do AC, que mandei fazer. Os resultados melhoraram significativamente. Mas o depósito precisava de ser alterado, corrigindo alguns problemas.

Calculei e desenhei um outro depósito melhorado e inclui uma segunda espiral, pensando no circuito de aquecimento central. Os testes foram bastante satisfatórios. Tinha finalmente uma concepção supostamente viável.

E foi assim que aconteceu o desenvolvimento de uma bomba de calor razoavelmente barata com depósito de 220 Lt para águas sanitárias, ligado ao aquecimento central por via da segunda serpentina no interior do depósito.

Há 15 dias montei um protótipo desta concepção em minha casa, para ensaiar. A bomba de calor usada é uma máquina de ar condicionado resgatada da sucata, tem 12 anos de uso e trabalhava a gás R22 (actualmente proibido). Adaptei a máquina a gás R134a. A máquina consome, em média 1,45 kW e debita 3,85 kW (num teste de aquecimento do depósito de 220 Lt, desde 28 para 51 ºC, com temperatura média no exterior de 11,7 ºC, em 1 h e 30 min, COP médio de 2.65).
Ao montar o sistema (depósito ficou na marquise, do lado de fora da cozinha), fiz a ligação da água quente para as duas máquinas de lavar roupa e para máquina de lavar loiça. A ideia era fornecer às máquinas água quente mais barata, em vez de usar as resistências próprias (a energia poupada posso aproveitar com rendimento melhor).

Ao ensaiar o novo sistema, cheguei à conclusão que o depósito ainda não é o ideal (tem de ser maior, com parte de AQS reservada e mais alguns pormenores), por isso redesenhei-o e mandei fazer, espero ficar pronto nos próximos 15 dias. Também conclui que o ciclo semanal da EDP não era o melhor para uso pretendido, alterei então a tarifa para ciclo diário, tarifa tri-horária.

Resumo:
Ao fazer contas do novo sistema, o balanço actual (15 dias de uso) é seguinte:
- antes consumia, em média, 24,6 kWh/dia (3,56 €) de energia elétrica – agora 27,5 kWh/dia (4,07 €), assim só gasto mai 0,50 €/dia em energia eléctrica e tenho a casa confortávelmente aquecida
- antes, para AQS, usava o cilindro eléctrico de 220 Lt, a aquecer e acumular calor de noite, em horas do vazio, consumo aprox. 10 kWh/dia (1,25 €), agora é por bomba de calor
- agora todas as máquinas de lavar tem entrada de água quente
- a bomba de calor liga às 22 h e desliga às 8 h de manhã, com tarifa em horas do vazio, trabalhando toda noite a aquecer a casa (consome aprox. 15 kWh durante a noite = 1,54 €, em Viseu temperatura mínima exterior ronda agora uns 5 a 6 ºC), e a acumular calor. O acumulador fica com 220 Lt de água quente a 46 ºC. A casa fica, de manhã entre 19 e 20 ºC e aguenta-se dia todo com temperatura confortável de 18 ºC (temperatura máxima exterior ronda, durante o dia, 12 ºC). À tarde, se necessário, ponho a bomba de calor trabalhar 1 hora, para repor o calor no depósito (embora tenha ainda uns 70 lt de água quente na parte superior do acumulador, com 43 ºC o que dá para um banho confortável). À noite, antes do jantar, uso essa energia acumulada para temperar casa, se necessário. A cozinha costuma ficar com 20 ºC, corredores com 17,5 ºC, 4 quartos e sala com 18 ºC, 2 casas de banho com 22 ºC. Um quarto pequeno está sem aquecimento com 13 ºC, não está ser usado. O escritório, embora aquecido, tem um radiador demasiado pequeno (um problema por resolver), costuma estar com 16 ºC.

Nos dias mais frios o consumo e os gastos serão naturalmente maiores, mas nos dias mais quentes vai ficar mais barato.

Creio que, depois de corrigir todos os problemas e depois de substituir a máquina velha por uma nova, com melhores rendimentos, o sistema torna-se ainda mais vantajoso.

Penso que este sistema e método de uso poderá ser viável para quem pretende economizar, substituindo outros sistemas de aquecimento como caldeiras a gasóleo, a pellets, etc. Até poderá ser mais viável instalar este sistema em vez dos painéis solares de AQS. Durante o Verão, com maior temperatura exterior, o rendimento da bomba de calor dispara.

Espero que proporcionei aqui uma boa matéria para pensar.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda nov 26, 2012 7:41 pm
por CrOhN
Excelente hynek! Também emtempos me lembrei de adaptar um motor de frigorifico a aquecer água, mas o desconhecimento de trabalhar com gás e soldas de tubos de cobre, fizeram com que nunca avançasse com o projeto. Hoje sei que o motor de frigorífico seria pouco para a tarefa necessária.

Mas não desisti de apostar na tecnologia. Acabei por investir numa bomba de calor + depósito de 400l. E não podia estar mais satisfeito. É um sistema impecável, super comodo (nada de chaminés, fumos, limpezas, etc...) e bastante económico em custos de utilização.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda nov 26, 2012 9:03 pm
por serges
Fantástico trabalho hynec...

Mas antes de mais obrigado por partilhares este projecto aqui com a malta...

Uma coisa e que tal pensares numa forma de aproveitar o aquecimento central de um apartamento que tem aquecimento com caldeira a Gás natural!!!

Um abraço!

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda nov 26, 2012 9:18 pm
por hynek
serges Escreveu:Fantástico trabalho hynec...

Mas antes de mais obrigado por partilhares este projecto aqui com a malta...

Uma coisa e que tal pensares numa forma de aproveitar o aquecimento central de um apartamento que tem aquecimento com caldeira a Gás natural!!!

Um abraço!
Olá Serges, já pensei sobre várias aplicações possíveis. O sistema é adaptável a aquecimento central com qualquer fonte de energia. É só interligar. Até é recomendável instalar uma máquina desta menos potente (e mais barata) e manter o sistema actual que poderá entrar em funcionamento em caso de alguma emergência.

Até para os teus lados o sistema é menos exigente que na minha zona, que é bastante mais fria. Penso que bastava adaptar uma máquina de AC de 9.000 BTU e ainda sobrava.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda nov 26, 2012 9:24 pm
por hynek
CrOhN Escreveu:Excelente hynek! Também emtempos me lembrei de adaptar um motor de frigorifico a aquecer água, mas o desconhecimento de trabalhar com gás e soldas de tubos de cobre, fizeram com que nunca avançasse com o projeto. Hoje sei que o motor de frigorífico seria pouco para a tarefa necessária.

Mas não desisti de apostar na tecnologia. Acabei por investir numa bomba de calor + depósito de 400l. E não podia estar mais satisfeito. É um sistema impecável, super comodo (nada de chaminés, fumos, limpezas, etc...) e bastante económico em custos de utilização.
Obrigado.

Um compressor de um frigorífico também pode ser convertido numa máquina de bomba de calor. Dava uma excelente brincadeira. Desmontei e esventrei vários compressores, por curiosidade. São umas máquinas notáveis.

Só por curiosidade, quanto é que investiste neste sistema e qual é performance?

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda nov 26, 2012 9:27 pm
por serges
Só não me meto nessas coisas por falta de € mas... deixa o próximo inverno falamos...!

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Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda nov 26, 2012 9:53 pm
por CrOhN
Investi cerca de 2500eur. Bomba de calor de 1,8KW e depósito de 400l. A performance, pelo menos no papel, 7,6KW. Isto dá um COP de 4,2 (temperatura ambiente 15/20º seco/humido). Eu por acaso faço sempre as contas para um COP de +- 3.

O meu depósito é de serpentina de gás integrada, logo, segundo a tua experiência, é mais eficiente.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: terça nov 27, 2012 12:40 pm
por hynek
CrOhN Escreveu:Investi cerca de 2500eur. Bomba de calor de 1,8KW e depósito de 400l. A performance, pelo menos no papel, 7,6KW. Isto dá um COP de 4,2 (temperatura ambiente 15/20º seco/humido). Eu por acaso faço sempre as contas para um COP de +- 3.

O meu depósito é de serpentina de gás integrada, logo, segundo a tua experiência, é mais eficiente.
parece um bom investimento. O sistema faz AQS e aquecimento central?

Quanto ao COP, é preciso ter cuidado e comparar as máquinas sempre nas mesmas condições. Normalmente a indicação do COP está acompanhada de informação em que condições foi medida. Por exemplo COP 3,2 a A7/W35 significa que o COP foi medido com temperatura do ar de 7 ºC e a água que estava a ser aquecida estava a 35 ºC. COP varia tanto com temperatura do ar como com temperatura do médio, onde está a debitar a energia térmica, no nosso caso a água num depósito. Se a temperatura do ar descer, desce o COP, se a temperatura da água no depósito sobe, o COP desce também. Ou seja, quando maior for a diferença entre médio de onde é extraída a energia térmica (neste caso o ar) e o médio aquecido, menor é o COP. Uns exemplos de resultados dos testes que fiz a várias máquinas:
A-5/W35 - COP 2,55
A-5/W50 - COP 2,09
A0/W35 - COP 2,76
A0/W50 - COP 2,23
A10/W35 - COP 3,20
A10/W50 - COP 2,59
A20/W35 - COP 3,86
A20/W50 - COP 3,09

Tive a oportunidade de testar algumas bombas de calor profissionais e o COP delas estava longe, mas mesmo muito longe do anunciado:
A9/W35 - COP 2,47
A9/W50 - COP 1.53
A9/W58 - COP 1,07

Podes medir o COP aproximado do teu sistema. Precisas de alguns termómetros, um contador de energia consumida e alguma paciência.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: quarta nov 28, 2012 10:09 am
por CrOhN
Obrigado pela explicação. Por acaso já me tinha apercebido que, quanto mais baixa estivesse a temperatura da água, o compressor consumia menos. À medida que ia aquecendo, ia aumentando o consumo.

E sim, também me apercebo de maior dificuldade em aquecer a água com temperaturas exterirores baixas. Demora mais tempo, e claro, consome mais.

A tua informação sobre o cop das bombas profissionais é que me deixou apreensivo. Embora eu ache que o COP da minha está dentro dos teus valores, isto porquê:

Fiz as contas para gastos de cerca de 350l de água diários. Para aquecer esses mesmos 350l, de 15 a 50º, necessito de cerca de 14KW/h (51327kJ). Por estes dias (temperaturas ambientes <10º) o consumo da bomba tem andado pelos 4 a 5KWh/dia, o que dá um COP de +-3. Isto sem levar em consideração percas no depósito e outros.

Qual é a tua opinião? Parece-me que está dentro dos teus valores.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: quarta nov 28, 2012 10:32 am
por hynek
CrOhN Escreveu:Obrigado pela explicação. Por acaso já me tinha apercebido que, quanto mais baixa estivesse a temperatura da água, o compressor consumia menos. À medida que ia aquecendo, ia aumentando o consumo.

E sim, também me apercebo de maior dificuldade em aquecer a água com temperaturas exterirores baixas. Demora mais tempo, e claro, consome mais.

A tua informação sobre o cop das bombas profissionais é que me deixou apreensivo. Embora eu ache que o COP da minha está dentro dos teus valores, isto porquê:

Fiz as contas para gastos de cerca de 350l de água diários. Para aquecer esses mesmos 350l, de 15 a 50º, necessito de cerca de 14KW/h (51327kJ). Por estes dias (temperaturas ambientes <10º) o consumo da bomba tem andado pelos 4 a 5KWh/dia, o que dá um COP de +-3. Isto sem levar em consideração percas no depósito e outros.

Qual é a tua opinião? Parece-me que está dentro dos teus valores.
sim, está dentro dos parâmetros, dá um COP entre 2.85 (5 kWh) e 3.56 (4 kWh), bastante bom

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: quinta nov 29, 2012 8:11 pm
por hynek
para CrOhN:

é muito provável que a água no depósito não esteja, na realidade, com temperatura inicial que pensas. A água fica estratificada – mais quente em cima, mais fria em baixo. Por isso podes fazer um ensaio para teres uma ideia mais aproximada do COP do sistema. Para isso é preciso medir seguintes valores:
- temperatura do ar imediatamente antes de entrar no evaporador da unidade exterior
- temperatura de água no depósito (água tem de ser misturada)
- consumo de energia eléctrica (com um medidor de consumo de ficha)

Como fazer:
- misturar água antes do ensaio para esta ficar homogénea
- deixar a bomba de circulação ligada durante o ensaio
- apontar as temperaturas e consumo inicial de electricidade
- cada 5, 10 ou 15 minutos (depende do volume do depósito e da potência debitada) repetir as leituras das temperaturas e do consumo, apontar numa tabela
- aquecer o depósito até temperatura habitual, com leituras regulares

Com valores recolhidos pode ser calculado o COP total e a sua evolução

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: sexta nov 30, 2012 2:31 pm
por CrOhN
Não sei se reparaste, mas eu fiz as contas para 350l, o depósito é de 400l, mas a sonda também não está exatamente no fundo. Mesmo descendo para 300l, dá-me um COP entre 2.4 e 3, para temperaturas exteriores abaixo de 10º, acho que não está mal. A bomba diz-me a temperatura ambiente e a que temperatura está a evaporar.

Eu sei a temperatura de entrada, por estes dias chega aos 12º, no ano passado cheguei a ver menos que isso.

A contagem que tenho feito, é um contador modular que está no quadro. E aponto o consumo diáriamente.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: domingo dez 02, 2012 6:24 pm
por mendes-v
A bomba de calor aquece a água que depois circula nos radiadores ?

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda dez 03, 2012 8:51 am
por CrOhN
A minha é só de AQS, mas existem para aquecimento central. Nesse caso, não podes usar radiadores normais, têm que ser ventiloconventores.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda dez 03, 2012 10:31 am
por hynek
CrOhN Escreveu:Não sei se reparaste, mas eu fiz as contas para 350l, o depósito é de 400l, mas a sonda também não está exatamente no fundo. Mesmo descendo para 300l, dá-me um COP entre 2.4 e 3, para temperaturas exteriores abaixo de 10º, acho que não está mal. A bomba diz-me a temperatura ambiente e a que temperatura está a evaporar.

Eu sei a temperatura de entrada, por estes dias chega aos 12º, no ano passado cheguei a ver menos que isso.

A contagem que tenho feito, é um contador modular que está no quadro. E aponto o consumo diáriamente.
partir dos pressupostos pode enganar. Ao instalar a minha primeira bomba de calor também presumi o COP 3. Mas depois desconfiei e fiz ensaio para apurar o COP real. A partir daí comecei a melhorar o sistema para aumentar o desempenho e rendibilidade.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda dez 03, 2012 10:50 am
por hynek
CrOhN Escreveu:A minha é só de AQS, mas existem para aquecimento central. Nesse caso, não podes usar radiadores normais, têm que ser ventiloconventores.
inicialmente também pensava que teria de usar os ventiloconvectores. Mas experimentei com os radiadores do aquecimento central (com caldeira a gasóleo e recuperador a lenha) sem qualquer modificação e está resultar muito bem. Em princípio não é necessário alterar o sistema existente, basta substituir a fonte de calor, no meu caso por bomba de calor feita a partir do ar condicionado normal. Nestes últimos 7 dias a temperatura exterior desce, no exterior da minha casa, até 0 ºC de noite, as máximas durante o dia rondam 8 - 9 ºC. A casa continua com temperaturas confortáveis e ainda não foi necessária ajuda do recuperador a lenha. A bomba de calor trabalha durante a noite (horas do vazio entre 22 e 8 h). Durante o dia trabalha só umas 3 horas a repor o calor no depósito para temperar a casa. A média dos gastos em aquecimento das AQS e da casa, nos últimos dias, ronda uns 2,40 €/dia.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda dez 03, 2012 3:22 pm
por CrOhN
hynek Escreveu:
CrOhN Escreveu:Não sei se reparaste, mas eu fiz as contas para 350l, o depósito é de 400l, mas a sonda também não está exatamente no fundo. Mesmo descendo para 300l, dá-me um COP entre 2.4 e 3, para temperaturas exteriores abaixo de 10º, acho que não está mal. A bomba diz-me a temperatura ambiente e a que temperatura está a evaporar.

Eu sei a temperatura de entrada, por estes dias chega aos 12º, no ano passado cheguei a ver menos que isso.

A contagem que tenho feito, é um contador modular que está no quadro. E aponto o consumo diáriamente.
partir dos pressupostos pode enganar. Ao instalar a minha primeira bomba de calor também presumi o COP 3. Mas depois desconfiei e fiz ensaio para apurar o COP real. A partir daí comecei a melhorar o sistema para aumentar o desempenho e rendibilidade.
Pois, mas eu não tenho conhecimentos para melhorar o que quer que seja. De qualquer forma, estou satisfeito com o equipamento.
hynek Escreveu:
CrOhN Escreveu:A minha é só de AQS, mas existem para aquecimento central. Nesse caso, não podes usar radiadores normais, têm que ser ventiloconventores.
inicialmente também pensava que teria de usar os ventiloconvectores. Mas experimentei com os radiadores do aquecimento central (com caldeira a gasóleo e recuperador a lenha) sem qualquer modificação e está resultar muito bem. Em princípio não é necessário alterar o sistema existente, basta substituir a fonte de calor, no meu caso por bomba de calor feita a partir do ar condicionado normal. Nestes últimos 7 dias a temperatura exterior desce, no exterior da minha casa, até 0 ºC de noite, as máximas durante o dia rondam 8 - 9 ºC. A casa continua com temperaturas confortáveis e ainda não foi necessária ajuda do recuperador a lenha. A bomba de calor trabalha durante a noite (horas do vazio entre 22 e 8 h). Durante o dia trabalha só umas 3 horas a repor o calor no depósito para temperar a casa. A média dos gastos em aquecimento das AQS e da casa, nos últimos dias, ronda uns 2,40 €/dia.
Essa bomba dá mesmo o litro! A bomba tem algum ciclo de descongelamento?

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: segunda dez 03, 2012 3:35 pm
por hynek
CrOhN Escreveu:
Essa bomba dá mesmo o litro! A bomba tem algum ciclo de descongelamento?
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sim, tem o descongelamento accionado por uma sonda. Aproveitei a parte electrónica da unidade interior para gerir o sistema, adicionei algumas funções relacionadas com gerência das temperaturas do depósito e com accionamento da bomba de circulação.

Até tem o comando remoto.

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: quarta dez 05, 2012 2:04 pm
por original
hynek Escreveu:
CrOhN Escreveu:A minha é só de AQS, mas existem para aquecimento central. Nesse caso, não podes usar radiadores normais, têm que ser ventiloconventores.
inicialmente também pensava que teria de usar os ventiloconvectores. Mas experimentei com os radiadores do aquecimento central (com caldeira a gasóleo e recuperador a lenha) sem qualquer modificação e está resultar muito bem. Em princípio não é necessário alterar o sistema existente, basta substituir a fonte de calor, no meu caso por bomba de calor feita a partir do ar condicionado normal. Nestes últimos 7 dias a temperatura exterior desce, no exterior da minha casa, até 0 ºC de noite, as máximas durante o dia rondam 8 - 9 ºC. A casa continua com temperaturas confortáveis e ainda não foi necessária ajuda do recuperador a lenha. A bomba de calor trabalha durante a noite (horas do vazio entre 22 e 8 h). Durante o dia trabalha só umas 3 horas a repor o calor no depósito para temperar a casa. A média dos gastos em aquecimento das AQS e da casa, nos últimos dias, ronda uns 2,40 €/dia.
No teu caso a unidade de ac exterior foi modificada por ti, certo ? Não posso adquirir uma unidade exterior de ac e ligá la em rede com o depósito ? Estou à procura de um modo de aquecer não a casa toda porque tenho ac no quarto, cozinha e sala, mas para os radiadores dos wc e corredor....

Re: Bomba de calor low-cost para aquecimento central e AQS

Enviado: quarta dez 05, 2012 5:05 pm
por hynek
original Escreveu:No teu caso a unidade de ac exterior foi modificada por ti, certo ? Não posso adquirir uma unidade exterior de ac e ligá la em rede com o depósito ? Estou à procura de um modo de aquecer não a casa toda porque tenho ac no quarto, cozinha e sala, mas para os radiadores dos wc e corredor....
infelizmente não é assim tão simples, mas quase. Tem de ser tudo bem calculado e bem feito.

Precisas, além da unidade exterior de AC, um permutador que aguenta a pressão da máquina. O circuito secundário do permutador ficará ligado ao circuito do aquecimento central, com um depósito de inércia existente. A bomba de circulação terá de estar sempre ligada. Desta maneira dá tanto para aquecer como para arrefecer.