Aquecimento da bomba de calor

Um sistema de bomba de calor extrai o calor do ambiente (ar ambiente, água subterrânea / superficial ou solo ) e o eleva por meio de uma bomba de calor a uma temperatura mais alta utilizável para aquecer edifícios ou outras instalações. É feita uma distinção entre sistemas de aquecimento por bomba de calor elétricos e a gás.

Uma vez que as bombas de calor elétricas não emitem CO ₂ diretamente , mas geram cerca de 25 a 30% da energia térmica usando energia elétrica, elas podem trabalhar com emissões muito baixas em comparação com outros tipos de aquecimento ao usar uma alta proporção de eletricidade neutra em carbono . Se, por outro lado, a energia elétrica vem de fontes fósseis, então a vantagem ecológica sobre o aquecimento moderno a gás é muito pequena.

Ao converter para um fornecimento de calor sem CO ₂ ( descarbonização ), a bomba de calor pode ser de grande importância se a eletricidade for gerada a partir de fontes renováveis. Como parte do fornecimento de aquecimento urbano, podem ser utilizadas fontes de calor que não tenham uma temperatura suficiente para a utilização direta do calor. Calor residual industrial, como água de resfriamento , água de mina ou energia geotérmica próxima à superfície, pode ser usado como fonte de calor. Quanto mais alta for a temperatura da fonte de calor da qual o calor é extraído no evaporador da bomba de calor, maior será o coeficiente de desempenho do sistema .

Em geral

A bomba de calor extrai calor de um reservatório (ar, água subterrânea, solo) e, assim, resfria a fonte de calor, mas apenas ao longo de um gradiente de temperatura . No entanto, a eficiência da bomba de calor - expressa no coeficiente de desempenho - diminui quanto menor for a temperatura da fonte.

A bomba de calor é tecnicamente estruturada como um refrigerador com a diferença de que com a bomba de calor o lado quente ( condensador da bomba de calor) é utilizado para aquecimento. Quanto menor for a diferença de temperatura necessária entre o reservatório de calor (por exemplo, água subterrânea de 7 ° C) e a "temperatura de fluxo" (= "fluxo de aquecimento" = a temperatura na qual a água é alimentada no circuito de aquecimento ), mais eficiente será é vontade). À medida que a temperatura aumenta, o coeficiente de desempenho da bomba de calor diminui. A maioria das bombas de calor são projetadas para temperaturas de fluxo de até 60 ° C, no máximo.

As fontes de calor para bombas de calor são água, solo úmido ou ar úmido. Se a temperatura de evaporação cair abaixo de 0 ° C, forma-se gelo nas superfícies do trocador de calor . O gelo é uma camada isolante e piora significativamente a transferência de calor. Graças às tecnologias mais recentes (resfriamento de gás), as bombas de calor, que extraem calor do ar externo , podem atualmente ser usadas com eficácia até uma temperatura externa de -25 ° C. Uma bomba de calor que extrai calor de um tanque de água a uma profundidade de 10 m (temperatura da terra de aproximadamente 5 ° C) pode ser operada independentemente da temperatura externa (abaixo do ponto de congelamento da água, porque o gelo é mais leve que a água e, portanto, flutua na superfície).

Para o rendimento de calor, a potência deve ser aplicada ("entrada"). A proporção do rendimento (“produção”) para a entrada é chamada de figura de desempenho . Um valor de desempenho maior que 4 é considerado econômico.

A energia pode ser fornecida por meio de eletricidade ou combustíveis . A combustão de combustíveis pode operar uma máquina de refrigeração por absorção ou adsorção ou ser usada em motores de combustão interna que, como o motor elétrico, acionam uma máquina de refrigeração por compressão.

Detalhes técnicos

Na faixa de produção mais baixa, as bombas de calor de compressão elétrica são normalmente usadas para aquecer edifícios, e as bombas de calor com motor a gás também são usadas para saídas mais altas. Também são utilizadas bombas de calor de absorção ou adsorção. As bombas de calor que usam o ciclo Vuilleumier ainda não estão prontas para o mercado.

O princípio de funcionamento pode ser comparado a um refrigerador que resfria por dentro e aquece por fora. Muitos desses sistemas também podem ser usados ​​para resfriamento em operação reversa. Como as bombas de calor às vezes têm correntes de partida consideráveis, o que pode levar a perturbações da rede ( quedas de tensão), a conexão deve ser aprovada pela empresa de fornecimento de energia . A aprovação é geralmente concedida com certas condições ( limitação da corrente de partida , partidas / hora limitada).

O refrigerante comprimido condensa no condensador . Este é um trocador de calor ao qual um meio de transferência de calor , geralmente água ou uma mistura de água-salmoura (proteção contra congelamento), é aplicado no lado oposto . O calor liberado quando o refrigerante se liquefaz é absorvido pelo meio de transferência de calor e transferido para os radiadores ou superfícies de aquecimento. A saída de calor que pode ser usada no condensador em relação à energia elétrica usada pelo motor do compressor aumenta à medida que a diferença entre as temperaturas de evaporação e condensação no circuito refrigerante da bomba de calor diminui.

A proporção de saída de calor ("Saída") para energia elétrica ("Entrada") é um coeficiente de desempenho (uma bomba de calor em inglês. Coeficiente de desempenho , abreviado COP ), respectivamente.

Uma baixa temperatura média de transferência de calor (temperatura de ida) pode ser implementada, em particular com piso radiante, pois a superfície de transferência de calor é muito grande. Além disso, deve-se buscar um isolamento térmico muito bom para o edifício a ser aquecido, a fim de poder operar uma temperatura de fluxo baixa do meio de transferência de calor quando há pouca demanda de calor.

A superfície de aquecimento e o excesso de temperatura médio (diferenças de temperatura ) de um radiador ou piso radiante são indiretamente proporcionais entre si. Isso pode ser comparado com a saída de energia alterada dos tanques de armazenamento com o aumento das temperaturas primárias. Este problema também faz com que a temperatura do tanque de armazenamento só seja elevada a uma determinada temperatura por meio de uma bomba de calor. A temperatura máxima da água quente que pode ser gerada depende da alta pressão máxima do compressor. ${\ displaystyle \ Delta T}$

Ao aquecer tanques de armazenamento com sondas geotérmicas , deve-se tomar cuidado para que a sonda geotérmica não seja carregada com mais de 100 W (term.) / M sonda para evitar congelamento excessivo da sonda. Como o gelo é um mau condutor de calor , a temperatura da sonda cai muito e o coeficiente de desempenho cai na faixa antieconômica abaixo de 2,5.

Escolha de refrigerante

As bombas de calor disponíveis no mercado europeu hoje para uso doméstico e industrial são operadas quase exclusivamente com HFCs (hidrocarbonetos fluorados). Sistemas com refrigerantes menos problemáticos para o meio ambiente, como B. CO ₂ ou propano até agora não encontraram uso generalizado. De acordo com estudos, o CO ₂ pode ser usado para gerar altas temperaturas de fluxo e atingir fatores de desempenho anual mais elevados do que os sistemas convencionais. Também não é inflamável e é menos tóxico. No Japão, as bombas de calor ar-água de CO ₂ estão disponíveis no mercado desde 2001 ; Já há algum tempo, eles também são oferecidos esporadicamente na Europa. Ao usar CO ₂ , são necessários componentes que podem ser operados em pressões mais altas. Para tanto, projetos de pesquisa estão em execução z. B. na Universidade Técnica de Braunschweig (Cadeira de Termodinâmica) e na Universidade Técnica de Dresden . As bombas de calor ar-água de CO ₂ podem, em alguns casos, deslocar sistemas concorrentes muito caros (sonda geotérmica, sonda de gelo, bombas de calor de salmoura, etc.) em nichos de aplicação.

Tempos de bloqueio

Ao utilizar uma tarifa de aquecimento favorável , os fornecedores de energia podem desligar as bombas de calor nos horários de pico , por exemplo de manhã e ao início da noite, de acordo com as condições técnicas de ligação (TAB) até três vezes ao dia para dois horas cada (também controlado remotamente). No entanto, muitas empresas de fornecimento de energia (EVU) podem desviar desta opção para baixo, pois controlam os tempos de bloqueio por meio do receptor de controle de ondulação com base no perfil de carga real . Os tempos de bloqueio são, então, relativamente curtos, de modo que um esforço técnico aumentado ( por exemplo, armazenamento de buffer ) geralmente não é necessário para superar o tempo de bloqueio.

Os tanques de armazenamento tampão só podem ser usados ​​de forma limitada para fazer a ponte entre os tempos de bloqueio, uma vez que a concessionária não dá um sinal prévio para o tempo de desligamento da bomba de calor. Portanto, o sensor de temperatura no tanque tampão poderia apenas dar o sinal "On" para iniciar o HP quando o tempo de bloqueio ocorrer. Se isso ocorrer, não há nenhum ou apenas um ligeiro gradiente de temperatura utilizável no tanque tampão. A probabilidade de que um edifício resfrie devido a um período de bloqueio é relativamente baixa, mas possível até certo ponto (resfriamento de 1–2 K).

• Um edifício com apenas uma pequena quantidade de massa de armazenamento esfria mais rápido do que um com uma grande quantidade de massa de armazenamento;
• um edifício mal isolado esfria mais rápido do que um bem isolado;
• um edifício grande esfria mais lentamente do que um pequeno (melhor proporção entre a superfície do edifício e o espaço fechado).

Controle do elemento de aquecimento

No caso de a saída da bomba de calor ser insuficiente em baixas temperaturas ambientes e ao mesmo tempo alta demanda de calor, a maioria dos sistemas de aquecimento da bomba de calor tem um aquecedor elétrico simples ( aquecedor de imersão ) no circuito de água quente ou tanque de armazenamento como um suplemento .

As condições técnicas de ligação (TAB 2007) estipulam no capítulo 10.2.4 que o compressor e a resistência só podem ser ligados seis vezes por hora. Os fabricantes implementam esse regulamento fazendo uma pausa de dez minutos após o processo de desligamento. Este fato deve ser levado em consideração durante o planejamento e o projeto.

A elevação da temperatura da barra de aquecimento é determinada pelo fluxo de massa , a capacidade de calor específica do fluido e a saída da barra de aquecimento . ${\ displaystyle \ Delta \ vartheta}$${\ displaystyle {\ frac {\ Delta m} {\ Delta t}}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle \ Phi}$

${\ displaystyle \ Delta \ vartheta = {\ frac {\ Phi} {c \ cdot {\ frac {\ Delta m} {\ Delta t}}}}}$

Com a água como fluido , a elevação da temperatura atinge uma taxa de fluxo de massa de 1000 kg por hora por kW de saída da haste de aquecimento. ${\ displaystyle c = 1 {,} 16 \, {\ frac {\ mathrm {Wh}} {\ mathrm {K \ cdot kg}}}}$${\ displaystyle \ Delta \ vartheta = 0 {,} 86 \, \ mathrm {K}}$

Com uma pequena histerese de comutação e uma grande oscilação de temperatura, o elemento de aquecimento só é ligado por alguns minutos e desligado por pelo menos dez minutos. A carga conectada supostamente alta do elemento de aquecimento não pode se desenvolver. Ao reorganizar a fórmula acima de acordo com o tempo, o seguinte se aplica:

${\ displaystyle \ Delta t = {\ frac {c \ cdot \ Delta m \ cdot \ Delta \ vartheta} {\ Phi}}}$

Se a histerese de comutação for 1 K, a saída da haste de aquecimento é 1 kW e a massa da água é 1 kg, a haste de aquecimento é desligada após 4,176 s.

Figuras chave

Figura de desempenho e grau de qualidade

A figura de desempenho ε - também chamada de Coeficiente de Desempenho (COP) - é usada para avaliar as bombas de calor . É a relação entre a saída de calor emitida e a potência de acionamento usada pelo compressor (também conhecido como compressor). O coeficiente de desempenho alcançável é uma função das temperaturas usadas de acordo com a segunda lei da termodinâmica limitada ao valor recíproco da eficiência de Carnot para um motor térmico de força sem perdas, o coeficiente de desempenho de Carnot:

${\ displaystyle \ varepsilon _ {C} = {\ frac {T _ {\ text {quente}}} {T _ {\ text {quente}} - T _ {\ text {frio}}}}}$

A relação entre a figura de desempenho real e Carnot é o grau de qualidade . É assim que a figura de desempenho é calculada ${\ displaystyle \ eta = \ varepsilon / \ varepsilon _ {C}}$

${\ displaystyle \ varepsilon = \ eta \ cdot {\ frac {T _ {\ text {quente}}} {T _ {\ text {quente}} - T _ {\ text {frio}}}}}$

As bombas de calor de compressão elétrica para aquecimento de edifícios atingem níveis de qualidade de cerca de 50% em operação contínua sob condições operacionais padrão especificadas. Este valor é principalmente utilizado para avaliar a qualidade da própria bomba de calor, não tendo em consideração o resto do sistema de aquecimento.

Para uma bomba de calor com sonda geotérmica (temperatura de evaporação , aprox. 0 ° C) e piso radiante ( , temperatura de fluxo de aprox. 35 ° C) pode-se calcular, por exemplo: ${\ displaystyle T _ {\ text {cold}} = 273 \ \ mathrm {K}}$${\ displaystyle T _ {\ text {warm}} = 308 \ \ mathrm {K}}$

${\ displaystyle \ varepsilon \ approx 0 {,} 5 \ cdot {\ frac {308 \ \ mathrm {K}} {308 \ \ mathrm {K} -273 \ \ mathrm {K}}} = 4 {,} 4 }$

Se um aquecedor de radiador com temperatura de fluxo de 55 ° C ( ) ( temperatura de evaporação −0 ° C) for conectado ao mesmo circuito da bomba de calor , o resultado é um coeficiente de desempenho significativamente menor: ${\ displaystyle T _ {\ text {warm}} = 328 \ \ mathrm {K}}$

${\ displaystyle \ varepsilon \ approx 0 {,} 5 \ cdot {\ frac {328 \ \ mathrm {K}} {328 \ \ mathrm {K} -273 \ \ mathrm {K}}} = 3 {,} 0 }$

Ao usar uma sonda geotérmica como fonte de calor, a temperatura de evaporação é independente da temperatura ambiente.

Uma bomba de calor que usa o ar ambiente como fonte de calor tem uma temperatura de evaporação significativamente mais baixa do que um sistema com uma sonda geotérmica. À medida que aumenta a demanda de calor, a temperatura ambiente cai e o mesmo acontece com o coeficiente de desempenho. Além disso, o coeficiente de transferência de calor do ar para as superfícies do evaporador é baixo. Tubos nervurados com a maior área possível são, portanto, usados ​​no evaporador. Um ventilador ou ventilador é necessário para empurrar o ar através das superfícies do evaporador.

Se a temperatura cair abaixo do ponto de orvalho no evaporador, o condensado (água) que se forma deve ser removido. Se o condensado cair abaixo do ponto de congelamento no evaporador, o fator de rendimento cai para zero devido ao efeito isolante da cobertura de gelo. Dispositivos de degelo são energeticamente sem sentido, a mesma quantidade de energia fornecida que foi extraída anteriormente do condensado congelado.

No cálculo do COP a seguir, uma temperatura externa de cerca de 7 ° C e uma diferença de temperatura de 12 ° C entre a temperatura de entrada do ar e a temperatura de evaporação do refrigerante são assumidas. Com (igual a cerca de −5 ° C) para o lado frio, obtemos: ${\ displaystyle T _ {\ text {cold}} = 268 \ \ mathrm {K}}$

${\ displaystyle \ varepsilon \ approx 0 {,} 5 \ cdot {\ frac {328 \ \ mathrm {K}} {328 \ \ mathrm {K} -268 \ \ mathrm {K}}} = 2 {,} 7 }$

Torna-se claro que o coeficiente de desempenho de uma bomba de calor é fortemente influenciado pelo projeto do trocador de calor, condensador e evaporador. A formação de gelo do evaporador não é considerada. O sistema no cálculo de exemplo só é útil para temperaturas externas superiores a +12 ° C.

Com a sonda geotérmica, uma fonte de calor com uma temperatura relativamente alta está disponível independentemente da temperatura externa predominante, enquanto o ar externo é uma fonte de calor desfavorável. Na lateral do dissipador de calor, uma pequena diferença de temperatura entre a temperatura ambiente e a temperatura de fluxo do transportador de calor deve ser procurada com a maior área possível. Nos exemplos mostrados, o coeficiente de desempenho varia por um fator de 1,8 entre a bomba de calor da sonda geotérmica / piso radiante e a bomba de calor do ar externo / radiador.

Em condições padrão, as bombas de calor disponíveis comercialmente atingem valores de COP na faixa de 3,2 a 4,5 com o ar ambiente como fonte de calor e de 4,2 a 5,2 quando usam energia geotérmica, e a tendência é crescente.

Fator de desempenho anual (JAZ)

O denominado fator de desempenho anual (JAZ), também denominado Fator de Desempenho Sazonal (FPS), é utilizado para avaliar a eficiência energética de um sistema de aquecimento por bomba de calor . Ele indica a relação entre o calor liberado ao longo do ano e a energia consumida da unidade e não deve ser confundido com o coeficiente de desempenho determinado em condições padronizadas de laboratório . Para garantir a comparabilidade, é importante ter clareza sobre os limites do sistema . O fator de desempenho anual pode conter o gasto de energia adicional para os acionamentos auxiliares (bombas de salmoura, bombas de água subterrânea ou ventiladores de ar, etc.), que, se projetados incorretamente, constituem uma parte considerável.

O fator de desempenho anual é calculado usando a seguinte fórmula:

• ${\ displaystyle JAZ = {\ frac {\ int _ {t1} ^ {t2} {\ dot {Q}} _ {\ text {Heiz}} \, dt} {\ int _ {t1} ^ {t2} P_ {\ mathrm {el}} \, dt}}}$

Muitos fatores influenciam o fator de desempenho anual. Por exemplo, os fabricantes fornecem hardware e software de qualidade variada. O mesmo se aplica ao trabalho dos instaladores. Além disso, as temperaturas a que a bomba de calor tem de funcionar variam ao longo do ano. No lado da pia, por exemplo, o aquecimento predial geralmente domina no inverno, com uma temperatura comparativamente baixa, enquanto no verão, a preparação de água quente doméstica com temperaturas comparativamente altas. Todo o projeto de um sistema de aquecimento com bomba de calor, e. B. a profundidade da sonda geotérmica, a escolha do sistema de armazenamento ou distribuição de calor, influencia a sua eficiência. As flutuações de temperatura também podem ser observadas no lado da fonte, mas são fortemente dependentes da fonte. A temperatura do ar flutua fortemente no curso diário e sazonal, mas a temperatura do solo e da água subterrânea dificilmente. A localização e o clima também são relevantes.

O JAZ na Alemanha está na faixa de 3 a 4,5 e, no caso de sistemas de água subterrânea, também é superior a 5. Valores discrepantes em ambas as direções são possíveis.

Equilibrio ecológico

As bombas de calor desempenham um papel importante na geração de calor sustentável , que é uma parte fundamental da transição energética . A maioria dos estudos sobre o tema chega à conclusão de que as bombas de calor devem desempenhar um papel central em um sistema de energia compatível com o clima . A razão para isso é que tanto as bombas de calor descentralizadas quanto as grandes bombas de calor em sistemas de aquecimento urbano reduzem os custos gerais. Também podem ajudar a integrar melhor as energias renováveis ​​no sistema energético e, juntamente com elas, a descarbonizar o setor do aquecimento .

Se a eletricidade necessária para operar bombas de calor acionadas eletricamente for obtida de fontes livres de emissões, como usinas hidrelétricas ou turbinas eólicas , elas podem ser usadas para gerar aquecimento eficiente e neutro para o clima. De todas as tecnologias individuais atualmente disponíveis no mercado, o aquecimento por bomba de calor é considerado o que pode dar a maior contribuição para a redução global dos gases com efeito de estufa no futuro. A IEA assume que o uso de bombas de calor por si só pode reduzir as emissões globais de gases de efeito estufa em 8% se 30% dos edifícios forem aquecidos com bombas de calor em vez de sistemas de aquecimento a combustível fóssil . A conversão da geração global de calor em sistemas de aquecimento por bomba de calor, que são fornecidos com eletricidade proveniente de energias renováveis, significaria, ao mesmo tempo, um aumento considerável na geração global de energia a partir de fontes regenerativas e aumentaria a eficiência do sistema energético.

A compatibilidade ambiental de uma bomba de calor de compressão é influenciada por vários fatores:

• Tipo de geração de eletricidade ( balanço de CO ₂ , emissões de poluentes),
• Tipo de geração de gás (extração, importação, processamento de biogás ),
• Perdas na condução de eletricidade,
• Fator de desempenho anual da bomba de calor,
• Potencial de aquecimento global do refrigerante.

Balanço de gases de efeito estufa

A forma como foi produzida a eletricidade necessária ao funcionamento é determinante para o equilíbrio ecológico das bombas de calor elétricas. A economia de dióxido de carbono depende, em particular, do fator de desempenho anual e da intensidade de emissão da geração de eletricidade. Diferentes combustíveis em usinas de energia e sistemas de aquecimento doméstico e seus fatores de emissão devem ser levados em consideração, de modo que, mesmo com a mesma necessidade de energia primária, as emissões _de CO ₂ na geração de eletricidade sejam maiores (por exemplo, se o foco for na geração de energia a carvão ) ou inferior (por exemplo, devido a uma alta proporção de energia renovável ou energia nuclear) pode falhar. Em países com uma alta proporção de geração de energia livre de emissões, como B. A Áustria , onde a energia hidrelétrica é a fonte dominante de eletricidade, já economiza emissões de dióxido de carbono com um coeficiente de desempenho anual de 1,0, enquanto na Estônia , apenas com um coeficiente de desempenho anual de 5,1. Na Alemanha, o valor é 2,2. Uma caldeira a gás com eficiência de 95% e emissões de 213 g / kWh foi utilizada como valor de comparação.

Em 2020, a revista Nature Sustainability publicou um estudo que analisou o balanço de CO ₂ dos sistemas de aquecimento da bomba de calor ao longo de todo o ciclo de vida (ou seja, produção, operação e reciclagem) para 2015 e o futuro. Os autores estudaram primeiro a média global e, em seguida, dividiram o mundo em 59 regiões, que depois analisaram individualmente para identificar diferenças regionais. Eles chegaram à conclusão de que, já em 2015, o uso de uma bomba de calor média teria produzido significativamente menos dióxido de carbono em comparação com um novo sistema de aquecimento por combustível fóssil comum. De acordo com isso, as bombas de calor sempre foram mais favoráveis ​​ao clima do que os sistemas de aquecimento fóssil quando a eletricidade usada produzia menos de 1000 g CO _2e / kWh. Mais de 90% da geração de eletricidade mundial está abaixo desse nível de emissão. Se as emissões da geração de eletricidade fossem abaixo de 500 g CO _2e / kWh, as bombas de calor emitem menos emissões do que novos sistemas de aquecimento fóssil muito eficientes em uma média global, mesmo que funcionassem de forma muito ineficiente. No geral, os autores chegaram à conclusão de que as bombas de calor já eram mais amigáveis ​​ao clima do que os sistemas de aquecimento a combustível fóssil em 53 das 59 regiões do mundo, respondendo por 96% da demanda global de calor. Em média, as emissões do aquecimento com bomba de calor foram 35% mais baixas do que as do aquecimento fóssil. Além disso, a vantagem climática das bombas de calor aumentará ainda mais no futuro com a redução esperada nas emissões da geração de eletricidade, de modo que, de modo geral, a mudança para bombas de calor quase certamente reduziria as emissões de gases de efeito estufa na maioria das regiões do mundo; mesmo partindo do pressuposto de que esta eletrificação do setor do aquecimento não seria acompanhada de uma nova descarbonização da produção de eletricidade.

As bombas de calor podem conter refrigerantes prejudiciais ao clima, como R134a ( 1,1,1,2-tetrafluoroetano ), R404A (refrigerante de substituição para R502 e R22 ( clorodifluorometano )), R407C (substituição do refrigerante R22) ou R-410A . Um quilograma desse refrigerante desenvolve o mesmo potencial de aquecimento global de 1,3 a 3,3 toneladas de CO ₂ . A reciclagem incorreta pode levar à liberação dessas substâncias e às correspondentes emissões de gases de efeito estufa. No entanto, também existem alternativas favoráveis ​​ao clima, como R744 , R290 , R600a ou R1270 .

Balanço de energia primária

A quantidade de energia primária economizada resulta do balanço de energia primária da geração de eletricidade. Com o fator de energia primária de 1,8, que está em vigor na Alemanha desde 2016, as bombas de calor com uma fonte de calor do ar externo agora também economizam energia primária em comparação com as caldeiras de condensação a gás . Os valores médios para a Alemanha são fornecidos na tabela abaixo. A maior economia ocorre quando as bombas de calor são operadas com energias renováveis , que produzem eletricidade diretamente sem perdas termodinâmicas. No caso de usinas fósseis, as usinas a gás e a vapor (usinas de ciclo combinado ) apresentam melhor desempenho. Por exemplo, bombas de calor com um JAZ de 3,5, que são operadas com eletricidade de uma usina a gás, fornecem 3,5 kWh de energia térmica com uma entrada de energia primária de 1,7 kWh.

Requisito específico de energia primária para a produção de um kWh de energia elétrica

usina elétrica	Uso de energia primária	energia elétrica obtida a partir dele	Calor útil em JAZ 3.5
central elétrica a carvão	2,4 kWh	1 kWh	3,5 kWh
Usina de ciclo combinado	1,7 kWh
Usina hidrelétrica , usina eólica , fotovoltaica , usina solar térmica	1 , 0kWh
Usina nuclear	3 , 0kWh
Mix de usinas elétricas na Alemanha	2,4 kWh

Independentemente dessa consideração de energia primária, as bombas de calor também podem contribuir para a redução de certas emissões de poluentes (dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio, poeira fina, compostos de enxofre, etc.), uma vez que ao usar combustíveis sólidos e fósseis ( carvão , lignita ) em a usina, uma limpeza de gases de combustão altamente eficaz (pelo menos com o mesmo combustível) geralmente emissões mais baixas do que as causas da combustão local.

Tipos de sistema e fontes de calor

Os sistemas de aquecimento da bomba de calor podem ser categorizados de acordo com sua fonte de calor:

• Ar (ar externo ou bomba de calor de ar de exaustão, se necessário com pré-aquecimento por meio de trocador de calor geotérmico)
• Energia geotérmica (geração de calor por meio de sondas geotérmicas ou coletores, veja abaixo)
• Água (recuperação de calor de águas subterrâneas , águas superficiais ou águas residuais)
• Sol ( sistema solar aquece o armazenamento de salmoura)

Uma distinção é feita de acordo com o meio de geração e dissipação de calor:

• Bomba de calor de água / água (WWWP) com extração de calor das águas subterrâneas por meio de poços de distribuição e absorção , de águas superficiais ou águas residuais ,
• Bombas de calor de salmoura / água (SWWP), servem como fontes de calor:
  • Sondas geotérmicas e coletores geotérmicos ( coletores espirais , coletores de trincheiras, cestos geotérmicos, etc.)
  • a energia solar via coletores solares e armazenamento de buffer
  • o ambiente por meio de absorventes maciços , cercas de energia , etc.
• Bomba de calor ar / água (LWWP) com extração de calor do ar de exaustão ou do ar externo , mais raramente também com pré-aquecimento por meio de trocadores de calor geotérmicos , coletores de fachada ou semelhantes; barato e amplamente utilizado.
• As bombas de calor ar-ar (LLWP) são usadas apenas em grandes edifícios para aquecer ou resfriar o ar fornecido pelos sistemas de ventilação ( sistemas de ar condicionado )

Em casas de baixo consumo de energia, o ar de exaustão (por exemplo, dispositivos de ventilação compactos em casas passivas ), águas residuais e calor solar são usados ​​para gerar energia e, no comércio e na indústria, também o calor de processo que é gerado de qualquer maneira. Várias fontes também podem ser combinadas em um sistema de bomba de calor, por exemplo, por meio de um circuito comum de salmoura do lado da fonte.

Além dos sistemas que aquecem casas individuais, as bombas de calor também podem ser integradas em redes de aquecimento distritais ou locais . Tais sistemas costumam ter uma potência na faixa do MW e são considerados uma importante tecnologia para ligar os setores de eletricidade e aquecimento em futuros sistemas de energia com uma alta proporção de energias renováveis, especialmente a energia eólica . Em tais sistemas, as bombas de calor desempenham o papel de fornecer calor durante os períodos de alta geração de eletricidade renovável, de forma que nenhuma caldeira movida a (fóssil) ou usinas de aquecimento precisam ser operadas, o que pode aumentar a eficiência energética . Essas bombas de calor grandes podem funcionar com diferentes fontes de calor; entre outros, estão o calor residual de baixa temperatura da indústria, supermercados , águas residuais (por exemplo, de estações de tratamento de esgoto ), água potável, água industrial e subterrânea, rios, lagos e a água do mar como fonte de calor em questão.

Tipos de bombas de calor de acordo com as fontes de calor

Bomba de calor de ar

Uma bomba de calor de ar usa o ar externo aquecido pelo sol para aquecer e processar a água quente. A eficiência cai drasticamente em temperaturas externas particularmente baixas. Através da operação bivalente - paralela de bombas de calor com certos sistemas combinados, a eficiência pode ser aumentada ligando um sistema de aquecimento alternativo nesses casos, a fim de fornecer a carga de pico necessária. Claro, isso aumenta os custos. O termo bomba de calor de fonte de ar é usado para diferentes sistemas. Portanto, o seguinte é geralmente dividido em termos mais diferenciados:

• As bombas de calor ar-água extraem calor do ar ambiente através de um permutador de calor e transferem-no para os circuitos de aquecimento e / ou água quente existentes (pavimento radiante, radiadores, etc.).
• As bombas de calor ar-ar extraem o calor do ar e o disponibilizam para um sistema de aquecimento de ar ou sistema de ventilação.
• Com a bomba de calor direta, o calor é extraído do ar, que é conduzido para os tubos do piso radiante colocados na mesa de aquecimento por meio de condensação direta sem perdas adicionais do trocador de calor. Em contraste com outras bombas de calor de fonte de ar, um refrigerante flui diretamente através dos tubos de cobre do aquecimento de piso. A bomba de calor direta não tem bomba de circulação e nem trocador de calor secundário. Uma bomba de calor direta só é adequada para novas construções. A desvantagem é que é quase impossível controlar circuitos de aquecimento individuais.

Em comparação com outras bombas de calor, as bombas de calor de fonte de ar são geralmente mais baratas de comprar, mas mais caras de operar. As bombas de calor ar-água podem ser instaladas no exterior e no interior dos edifícios, dependendo da marca. A eficiência da bomba de calor da fonte de ar diminui quanto mais baixa a temperatura externa. As bombas de calor de ar podem ser instaladas em edifícios antigos recondicionados e em edifícios novos com circuitos de aquecimento de superfície e operadas em operação monovalente e bivalente (consulte a seção acima sobre refrigerantes). A poluição sonora do meio ambiente também é relevante, o que muitas vezes torna problemática a instalação perto de edifícios. Um nível de pressão sonora típico a uma distância de um metro de, por exemplo, 51 a 62 dB (A) (folha de dados Viessmann Vitocal 300-A) é percebido como muito incômodo. Para avaliar as emissões de ruído das bombas de calor de fonte de ar, na ausência de um regulamento administrativo específico que especifique uma norma, é utilizado o TA-Lärm responsável pelo ruído industrial e comercial, que prevê diferentes valores-guia de imissão em função do designação de área residencial. Em áreas residenciais comuns, 55 dB (A) durante o dia e 40 dB (A) à noite em frente à janela de uma sala que precisa de proteção (sala, quarto, escritório e cozinha com mesa de jantar).

O fator de desempenho anual da HP moderna pode ser melhorado usando a tecnologia de inversor . No entanto, ainda existem grandes desvios entre os valores de desempenho anuais calculados de acordo com VDI 4650 e os valores alcançados na prática.

Valores de orientação:

• Temperatura de fluxo do aquecimento por piso radiante 30 a 35 ° C
• Temperatura de fluxo dos radiadores / radiadores 50 a 55 ° C
• Temperatura de fluxo da unidade fan coil 35 a 45 ° C

Bomba de calor geotérmica

As bombas de calor geotérmicas usam o calor sensível do corpo da Terra como fonte de energia. O calor extraído é compensado principalmente pelo aquecimento do corpo terrestre por radiação solar e água da chuva. Apenas uma pequena proporção vem do interior da Terra.

Na Alemanha, uma temperatura ambiente de 0 ° C para coletores geotérmicos próximos à superfície e 8 ° C para águas subterrâneas e sondas geotérmicas profundas é geralmente assumida para o cálculo.

Se o projeto for inadequado, as bombas de calor de salmoura podem congelar o solo no inverno (ver permafrost ).

O trabalho de manutenção comum para uma bomba de calor geotérmica inclui verificar a composição química do refrigerante, verificar e, se necessário, limpar o filtro, analisar a pressão do fluido no dispositivo e verificar se há condensação nas tubulações da casa.

Sondas geotérmicas

(por exemplo, sondas de CO ₂ ) são furos de sondagem no solo até vários 100 metros. A maior parte da perfuração é realizada em até 50 metros. Se a saída de uma sonda geotérmica for insuficiente, vários furos são perfurados com base na capacidade de extração calculada. A perfuração é um método simples e confiável de operar uma bomba de calor, pois o jardim inteiro não precisa ser escavado (como é o caso dos coletores) e a capacidade de extração também é maior. Os altos custos de perfuração são desvantajosos.

Coletores geotérmicos

são “ serpentinas de aquecimento ” colocadas no solo a uma profundidade rasa (aprox. 1 a 1,5 m, espaçando aprox. 1 m) . O calor é gerado principalmente pela energia solar e pela infiltração da água da chuva, razão pela qual os coletores próximos à superfície não devem ser colocados sob superfícies vedadas. Somente quando o nível do lençol freático é muito alto, isso também contribui para a recuperação de calor.

A capacidade de extração depende, entre outras coisas, da condutividade térmica e do armazenamento de água do solo, bem como da radiação solar e da umidade do solo. Os coletores próximos à superfície devem ser planejados de forma que o calor sensível do solo seja suficiente para o abastecimento. Ao congelar os arredores, quantidades adicionais de calor (calor de latência) podem ser extraídas, mas quando a temperatura da salmoura cai (a necessidade de eletricidade aumenta em aproximadamente 2,5% por grau Celsius).

Coletores em espiral e cestos geotérmicos como trocadores de calor requerem menos espaço do que os coletores geotérmicos instalados em uma grande área e são mais baratos do que furos profundos. Também não há necessidade de acesso a uma plataforma de perfuração geotérmica profunda.

Recuperação de energia geotérmica de túneis

Os túneis são cada vez mais usados para gerar energia geotérmica. Tanto por fluxo automático de água quanto por tubos de salmoura nas paredes do túnel. De acordo com um estudo do Escritório Federal Suíço de Energia em 1995, cerca de 30 MW de calor poderiam ser obtidos em 130 dos 600 túneis e túneis na Suíça .

Bomba de calor de água

Bomba de calor de água subterrânea (bombas de calor água-água)

Aqui, a água subterrânea é retirada de um poço de distribuição e devolvida por meio de um poço de captação . Aqui, a qualidade da água é de fundamental importância para a confiabilidade do sistema. A água subterrânea é alimentada diretamente para a bomba de calor através do trocador de calor do evaporador ou um trocador de calor é primeiro conectado entre a água subterrânea e o trocador de calor do evaporador. Uma amostra de água deve ser coletada antes da instalação e comparada com os requisitos do fabricante da bomba de calor. Devido às temperaturas da água subterrânea, que costumam ficar em torno de 7 a 11 ° C ao longo do ano, as bombas de calor de água subterrânea podem atingir fatores de desempenho anuais de mais de 5. O problema é o entupimento ou corrosão das partes do sistema por onde flui a água subterrânea, no caso da água que contém ferro e manganês. Via de regra, é necessária uma licença de acordo com a legislação hídrica (autoridade hídrica), uma vez que a operação significa uma intervenção no balanço hídrico subterrâneo.

Bomba de calor de água de superfície

A água dos mares , rios e lagos também é adequada como fonte de energia para o funcionamento de bombas de calor. O potencial de tais fontes de calor é considerado muito grande: com flutuações de temperatura de ± 0,2 ° C, uma produção de calor de um GW pode ser obtida apenas do Lago de Constança . Os primeiros sistemas desse tipo foram instalados no Lago de Constança na década de 1960, mas ainda não estão muito difundidos na Alemanha, embora haja significativamente mais sistemas na Suíça e o uso dos lagos alpinos para fins de geração de calor esteja sendo promovido politicamente. Esses sistemas também são comuns na Escandinávia e no Japão. Na Grã-Bretanha, presume-se que vários milhões de residências poderiam ser aquecidas com bombas de calor que obtêm sua energia de rios e lagos. De acordo com os planos do Ministério da Energia, um total de 4,5 milhões de domicílios serão aquecidos com bombas de calor. Um primeiro sistema que gera calor do Tamisa para mais de 100 residências e outras empresas conectadas entrou em operação em março de 2014. Em 2016, o maior sistema de bomba de calor que usa água do mar está localizado em Estocolmo . Fornece uma rede de aquecimento urbano à qual estão conectadas 2,1 milhões de pessoas e tem uma potência de cerca de 420 MW.

Bomba de calor de esgoto

Uma bomba de calor de esgoto é instalada no sistema de esgoto e usa o calor do esgoto . Tubos de esgoto maiores são particularmente adequados para uso. Com eles, no entanto, alto desempenho também pode ser alcançado. No sistema de esgoto, as temperaturas são em grande parte uniformes entre 12 e 20 graus Celsius ao longo do ano. Além disso, o solo ao redor dos tubos é isolado, o que significa que as cargas de pico podem ser protegidas. Sistemas maiores que aquecem centros administrativos, hospitais, escolas, conjuntos habitacionais ou piscinas cobertas com uma necessidade de calor relativamente constante são considerados econômicos. No futuro, está planejado armazenar temporariamente calor residual de processos industriais ou usinas de energia no sistema de esgoto e recuperá-lo quando necessário usando uma bomba de calor.

Aquecimento local frio

O aquecimento distrital frio ou aquecimento distrital frio é uma variante técnica de uma rede de fornecimento de calor que funciona com temperaturas de transferência baixas próximas da temperatura do solo e, portanto, bem abaixo dos sistemas convencionais de aquecimento distrital ou local . Uma vez que estas temperaturas de funcionamento não são suficientes para a produção de água quente e aquecimento, a temperatura no cliente é elevada ao nível pretendido por meio de bombas de calor. Da mesma forma, o frio também pode ser produzido e o calor residual realimentado na rede de aquecimento. Desta forma, os afiliados não são apenas clientes, mas podem atuar como prossumidores que, dependendo das circunstâncias, podem consumir ou produzir calor. Como as bombas de calor geotérmicas normais, as redes de aquecimento local frio têm a vantagem sobre as bombas de calor de ar, pois funcionam de forma mais eficiente devido ao delta de temperatura mais baixo entre a fonte de calor e a temperatura de aquecimento. Em comparação com as bombas de calor geotérmicas, no entanto, as redes de aquecimento local frio têm a vantagem adicional de que, mesmo em áreas urbanas, onde os problemas de espaço muitas vezes impedem o uso de bombas de calor geotérmicas, o calor pode ser armazenado sazonalmente por meio de armazenamento de calor central e os diferentes perfis de carga de edifícios diferentes, se necessário, um equilíbrio entre calor e permitir a demanda de resfriamento.

É particularmente adequado para uso onde existem diferentes tipos de edifícios (edifícios residenciais, comerciais, supermercados, etc.) e, portanto, há uma demanda de aquecimento e resfriamento, o que permite que a energia seja equilibrada em curtos ou longos períodos de tempo. Alternativamente, os sistemas sazonais de armazenamento de calor permitem que o suprimento e a demanda de energia sejam equilibrados. Usando diferentes fontes de calor, como B. O calor residual da indústria e do comércio e a combinação de fontes de calor e dissipadores de calor também podem criar sinergias e o fornecimento de calor pode ser desenvolvido na direção de uma economia circular . Além disso, a baixa temperatura de operação da rede de aquecimento a frio permite que o calor residual de baixa temperatura dificilmente utilizável seja alimentado na rede de uma maneira descomplicada. Ao mesmo tempo, a baixa temperatura de operação reduz significativamente as perdas de calor na rede de aquecimento, o que em particular limita as perdas de energia no verão, quando há pouca demanda de calor. O coeficiente anual de desempenho das bombas de calor também é relativamente alto em comparação com as bombas de calor de ar. Um estudo de 40 sistemas comissionados até 2018 mostrou que as bombas de calor atingiram um coeficiente anual de desempenho de pelo menos 4 na maioria dos sistemas examinados; os valores mais altos foram 6.

Bombas de calor de acordo com o tipo de acionamento

Conforme descrito acima, parte da saída de aquecimento das bombas de calor é geralmente obtida por compressão . O refrigerante aquece dissipativamente devido à pressão mais alta e é então usado para aquecimento. Dependendo da aplicação, diferentes tipos de unidade podem ser mais adequados.

Motor elétrico

A variante mais comum encontrada em residências unifamiliares é o motor elétrico. Um motor controlado por um conversor de frequência aciona um compressor scroll ou parafuso . As vantagens da bomba de calor elétrica pura residem na baixa faixa de potência possível dos sistemas e no uso exclusivo da eletricidade como fonte de energia. Nem uma chaminé nem linhas de abastecimento de combustível são necessárias. As desvantagens são a menor eficiência em baixas temperaturas ambiente ou subterrâneas e a dependência unilateral da rede elétrica.

Motor a gasolina

Os motores a gás podem ser usados ​​para propriedades maiores, como prédios de apartamentos, operações comerciais ou supermercados . Os motores Gas-Otto adaptados para funcionar com gás natural ou outros gases (propano, butano, etc.) são instalados como acionadores de compressores. Os sistemas um pouco mais complexos só compensam em edifícios maiores ou em redes de aquecimento locais, mas oferecem três adicionais simultâneos com o calor residual do motor (entre 75 ° C e 90 ° C) e o calor nos gases de escape (vários 100 ° C) C possível), bem como o resfriamento nos circuitos de temperatura do evaporador para uma ampla variedade de aplicações. Ao usar biometano processado em gás natural como combustível, as bombas de calor de motores a gás também podem ser operadas de maneira neutra em CO ₂ .

Outro princípio funcional usa um gás combustível para acionar a parte quente de um motor Stirling , que no lado frio serve diretamente como um compressor para um circuito refrigerante sem quaisquer conversões com perdas adicionais. Com este princípio, a faixa de desempenho para casas unifamiliares também pode ser coberta de forma econômica e ecologicamente correta. Devido à temperatura de fluxo mais elevada em comparação com as bombas de calor de compressão acionadas por um motor elétrico, esta tecnologia é particularmente adequada para a renovação de edifícios antigos existentes.

Queimador de gás

Se um queimador de gás for usado para compressão térmica do refrigerante ( bomba de calor de sorção ), a dependência da rede elétrica pode ser ainda mais reduzida. Aqui, apenas uma pequena bomba elétrica é usada para pré-compressão, além da função de circulação pura. A compressão real ocorre como resultado do aquecimento por queimadores de gás, que alcançam uma alta eficiência puramente térmica sem perdas de conversão mecânica. A redução dos componentes móveis também resulta em menor consumo interno de eletricidade. Como as bombas de calor com motor a gás, as bombas de calor com gás puro são um pouco mais caras para investir e só compensam em determinados tamanhos de sistema ou em redes de aquecimento locais. Eles também podem ser operados de maneira neutra em CO ₂ usando biometano que foi convertido em gás natural como combustível . O mesmo também se aplica se um queimador de gás for adicionado a uma bomba de calor elétrica para aquecimento de carga de pico.

Sistemas híbridos e mistos

Bomba de calor solar para armazenamento de gelo / bomba de calor latente / bomba de calor de evaporação direta

O sistema de armazenamento de gelo solar consiste em um grande tanque de água que, ao congelar a 0 ° C, usa um refrigerante (por exemplo, uma mistura de água-glicol) para tornar o chamado calor de cristalização disponível para utilização de calor.

O processo de congelamento que ocorre quando mais calor é extraído é intencional, porque a mudança de fase de água para gelo traz mais ganhos de energia. A temperatura permanece constante em 0 ° C, mas são liberados mais 93 Wh / kg de energia de cristalização, que pode ser utilizada pela bomba de calor. Esta é a mesma quantidade de energia que é liberada quando a água é resfriada de 80 a 0 ° C.

O sistema corresponde amplamente ao da bomba de calor água-água. No entanto, a água resfriada não simplesmente continua a fluir como água subterrânea, mas também serve diretamente como meio de resfriamento no verão, que pode ser usado em operação reversa (sistema de ar condicionado) simplesmente por meio de uma bomba de circulação no aquecimento da casa sem energia renovada- processo intensivo de troca de calor de alto custo e, portanto, regenera parcialmente o tanque de armazenamento.

A regeneração ocorre constantemente por meio de todas as fontes de energia com temperatura superior a 0 graus.

A entalpia - o conteúdo de "calor" do "depósito de gelo" - é de 333,5 kJ / kg ou 85 kWh / m³ de gelo. São bons 8 litros de óleo para aquecimento por metro cúbico. O sistema deve ser dimensionado de acordo com as serpentinas de resfriamento, em torno das quais uma capa de gelo se forma ao longo do tempo, o que impede a posterior extração de energia.

Os modelos comuns com armazenamento solar de gelo de aproximadamente 12 m³ e 5 coletores solares de ar (à 2 m²) na cobertura oferecem em operação monovalente cerca de 1800 horas de carga total por ano para operação de aquecimento com uma carga máxima de aquecimento de 7,5 kW.

Em teoria, uma bomba de calor água-água para aquecimento durante todo o ano, incluindo aquecimento de água quente, ainda é a primeira escolha. No entanto, no verão, o gasto de energia para resfriamento é provavelmente mais lucrativo com o sistema de armazenamento de gelo. Os sistemas, portanto, competem entre si pela eficiência energética geral.

Sob as condições de referência do Stiftung Warentest, o aquecimento solar atinge um fator de desempenho do sistema anual (SJAZ) de aproximadamente 5 (incluindo ventiladores de consumo de energia, bombas, etc. e incluindo o calor solar usado diretamente).

Armazenamento subterrâneo sazonal mais bomba de calor

No caso de armazenamento subterrâneo, é possível usá-lo como um armazenamento de energia de longo prazo. Consiste em um tanque de armazenamento subterrâneo isolado com um sistema definido de tubos de plástico que passam por ele. Os excedentes de outras fontes de calor, como a energia solar térmica, são protegidos. Isso resulta em um aumento na temperatura da fonte para a bomba de calor em uma média de 10 ° C em comparação com os coletores de superfície. Fontes de calor com temperaturas relativamente baixas, que não podem ser usadas diretamente para aquecimento, também podem ser alimentadas para o tanque de armazenamento subterrâneo. Além de (salmoura) ou uma mistura de água-glicol, água pura também pode ser usada como meio de transferência de calor.

A operação sem anticongelante permite o uso em áreas de proteção de água potável. A base para isso é o nível de temperatura controlada no armazenamento subterrâneo, que é aproximadamente entre +5 ° C e +23 ° C durante a mudança sazonal.

O sistema corresponde amplamente à bomba de calor de água salgada com tecnologia de controle especial e pode aquecer e resfriar como sistemas comparáveis. As fontes primárias de calor são excedentes de sistemas solares ou calor de processo.

Um tanque de armazenamento subterrâneo de aproximadamente 100–120 m³, uma bomba de calor coordenada e coletores solares térmicos de placa plana de aproximadamente 12–14 m² cobrem uma carga de aquecimento de aproximadamente 10 kW em modo de aquecimento.

O sistema de armazenamento subterrâneo é usado em novos edifícios i. d. Normalmente instalado sob a laje de piso, a fim de aproveitar sinergias com qualquer trabalho que tenha que ser feito de qualquer maneira, como fundação, proteção contra congelamento , fundações, isolamento da laje de piso, etc. O uso em edifícios existentes, bem como em áreas centrais da cidade, parece problemático, pois o espaço necessário pode não estar disponível nesses locais. A área em que o tanque de armazenamento subterrâneo está instalado não deve, se possível, ter água subterrânea fluindo através dela, caso contrário, maiores demandas são colocadas na vedação.

Os sistemas de armazenamento de energia de longo prazo só precisam ser informados às autoridades de água mais baixas, já que geralmente são instalados apenas 1,20-1,50 m abaixo da laje do piso e o solo não é usado como fonte de calor. Devido à baixa profundidade de instalação, nenhuma camada que contém água subterrânea é normalmente penetrada.

BAFA promove sistemas de armazenamento de gelo e sistemas isolados de armazenamento de energia geotérmica, como o eTank, como parte da promoção da inovação “Bombas de calor com eficiência do sistema aprimorada”. Um volume mínimo de armazenamento deve ser respeitado e o alcance do fator de desempenho do sistema anual (SJAZ) de 4.1 deve ser comprovado por simulação. O fabricante do tanque de armazenamento subterrâneo sazonal eTank foi nomeado para o prêmio de inovação dos estados de Berlim e Brandemburgo em 2015.

Bomba de calor ar / água salmoura / água (bomba de calor híbrida)

A bomba de calor ar / água salmoura / água é uma bomba de calor híbrida que usa apenas fontes de energia renováveis ​​em seu design. Ele combina o calor do ar e o calor geotérmico em um dispositivo compacto. Isso distingue este sistema híbrido de outros sistemas que também usam pelo menos duas fontes de calor. Estes formam principalmente uma mistura de tecnologia de aquecimento convencional (tecnologia de condensação de gás) e fontes de energia renováveis.

A bomba de calor ar / água salmoura / água (bomba de calor híbrida) está equipada com dois evaporadores (um evaporador de ar externo e um evaporador de salmoura), ambos ligados ao circuito da bomba de calor. Isso torna possível usar a fonte de calor mais econômica no momento atual em comparação com as condições externas (por exemplo, temperatura do ar). O sistema híbrido seleciona automaticamente o modo de operação mais eficaz (calor do ar ou calor geotérmico). Dependendo do modo de operação, as fontes de energia ar e energia geotérmica podem ser utilizadas em paralelo ou alternativamente.

Modos de operação

Como regra, é feita uma distinção entre três modos de operação:

• Operação monovalente = bomba de calor apenas, adequada para todos os sistemas de aquecimento de baixa temperatura até uma temperatura de fluxo máxima de 55 ° C.
• A operação bivalente = bomba de calor e uma fonte de calor adicional (por exemplo, coletores solares, caldeira a gás, aquecedor elétrico de imersão e semelhantes)
  • Alternativa bivalente = a bomba de calor fornece toda a energia de aquecimento até uma temperatura externa especificada. Se o valor cair abaixo deste, a bomba de calor desliga-se e um segundo gerador de calor assume o aquecimento.
  • Paralelo bivalente = tal como no modo de funcionamento alternativo bivalente, a bomba de calor fornece toda a potência de aquecimento até um determinado valor, mas a bomba de calor apenas desliga após um segundo valor limite. Nesse meio tempo, um segundo gerador de calor é ligado. Em contraste com a operação bivalente-alternativa, a participação da bomba de calor na produção anual é significativamente maior.
• A operação monoenergética = bomba de calor e aquecimento auxiliar elétrico (principalmente em modelos baratos). A bomba de calor fornece a produção de calor necessária durante a maior parte do ano. Em temperaturas muito baixas (abaixo de −7 ° C), a saída de calor é insuficiente e um elemento de aquecimento é ligado.

Operação reversa

Muitas bombas de calor também podem operar ao contrário para resfriar a casa. É feita uma distinção entre o resfriamento passivo com água subterrânea ou sondas profundas e o resfriamento ativo por meio da reversão do processo. Os radiadores clássicos não são adequados para resfriamento de ambiente, entretanto, uma vez que a área relativamente pequena do radiador permite apenas uma transferência de calor limitada.

Estrutura dos ciclos

Os tipos de sistema podem ser diferenciados pelo número de circuitos de fluido . O desacoplamento dos circuitos por fornecimento indireto do calor de evaporação do ambiente e a dissipação da energia de condensação por uma rede de aquecimento de água quente são vantajosos em termos de tecnologia de controle (mas com perdas de energia), a quantidade de refrigerante e a probabilidade de vazamentos são baixos.

Sistema de 3 circuitos

Os sistemas de aquecimento por bomba de calor utilizaram este tipo de sistema durante muito tempo. A salmoura é usada, na forma de um poço profundo ou um coletor de superfície. Aqui, a salmoura circula como um meio de transmissão em um circuito fechado e absorve o calor do solo para transferi-lo para o circuito refrigerante na bomba de calor. No terceiro circuito, aquecimento ambiente, circula água, que é aquecida pela bomba de calor por meio de um trocador de calor. Com este tipo de sistema, uma sonda de CO ₂ também pode ser usada como um coletor em um poço profundo. A vantagem (em termos de eficiência) em relação à salmoura em um poço profundo é a energia que não é necessária para circular o meio no coletor.

Sistema de 2 circuitos

Eles também são chamados de sistemas diretos porque não têm um circuito de salmoura separado. Não há transferência de calor do circuito coletor (salmoura) para o circuito de trabalho da bomba de calor. O refrigerante absorve o calor diretamente (evaporação direta). Isso traz uma vantagem energética de pelo menos 5 graus. A omissão da bomba de circulação de salmoura reduz o consumo de energia. Ao usar pontas de solo como fonte de calor, a evaporação direta não é possível; um circuito de salmoura deve ser usado.

Sistema de 1 circuito

O refrigerante circula nas tubagens do aquecimento ambiente, na bomba de calor e no colector do jardim em circuito fechado partilhado. Portanto, não há transferência de calor para a água como meio de aquecimento na casa. Este sistema apresenta vantagens energéticas, visto que dispensa a bomba de circulação e a descida da temperatura do permutador para o circuito de aquecimento. O refrigerante é normalmente alimentado para os coletores de piso radiante como gás quente e condensa no sistema de condensador. Os problemas com este arranjo são:

• quantidades de enchimento de refrigerante significativamente maiores,
• a tubulação complexa resulta em uma maior probabilidade de vazamentos,
• retorno de óleo problemático do coletor de piso,
• distribuição de refrigerante dependente da carga no sistema geral,
• difícil regulação e influência mútua das superfícies do coletor do piso.

Apenas alguns (cerca de dois ou três) fabricantes se atreveram a implementar este tipo de sistema em 2007 porque era difícil de controlar em termos de tecnologia do sistema (pressão e temperatura do refrigerante e tempo de funcionamento da bomba de calor).

Distribuição de água de aquecimento / armazenamento temporário

Se o calor fornecido pela bomba de calor não for temporariamente consumido / utilizado de forma suficiente, a água quente pode ser temporariamente armazenada; isso ocorre em um grande tanque termicamente isolado, um tanque de armazenamento intermediário . Este tanque contém i. d. Normalmente, várias centenas de litros de água. O fluxo de água agora circula entre o tanque e os radiadores ou o piso radiante para aquecimento. A bomba de calor aquece a água do tanque.

distribuição

Sistemas de aquecimento de bomba de calor recém-instalados anualmente na Alemanha (DE) e Áustria (AT)

ano	DE	NO
1995	1.200	5,124
1996	2.300	5.312
1997	3.600	4.957
1998	4.400	4.819
1999	4.800	4.612
2000	5.700	4.795
2001	8.200	5.590
2002	8.300	5.780
2003	9.890	6.935
2004	12.900	7.968
2005	18.900	9.795
2006	44.000	13.180
2007	44.600	15.148
2008	62.500	18.705
2009	54.800	18.138
2010	51.000	16.962
2011	57.000	16.398
2012	59.500	18.861
2013	60.000	19.175
2014	58.000	21.439
2015	57.000	23.014
2016	66.500	22.994
2017	78.000	?
2018	84.000	?
2019	86.000	?
2020	120.000	?

No contexto do aumento da eficiência energética e da redução do consumo de energia e das emissões de gases com efeito de estufa, as bombas de calor desempenham um papel importante na política energética da UE . A sua quota de mercado está a aumentar, nomeadamente através de medidas de subsídio. Mercados de vendas importantes são França, Suécia, Noruega, Alemanha e Finlândia. Em 2010, um total de 750.000 bombas de calor foram instaladas na UE-20, cuja economia de energia é estimada em 36,6 TWh.

Alemanha

A quota de mercado do aquecimento por bomba de calor em edifícios novos é muito específica de cada país. Na Alemanha, a proporção de aquecimento por bomba de calor em novos edifícios tem aumentado continuamente desde 2000, exceto por pequenas flutuações. Enquanto em 2000 apenas 0,8% de todos os novos edifícios eram aquecidos com bombas de calor, em 2006 as bombas de calor atingiram pela primeira vez uma quota de dois dígitos de 11,6%. Em 2010 sua participação já era de 23,6%; valor que se manteve bastante estável nos anos seguintes, mas voltou a cair para 19,9% em 2014. Em seguida, voltou a crescer e atingiu uma participação de 33,5% em 2020. Isto colocou as bombas de calor em segundo lugar das tecnologias de aquecimento mais frequentemente instaladas em edifícios novos, imediatamente atrás dos sistemas de aquecimento a gás com 33,8% e à frente do aquecimento urbano com 25,7%. Em todo o sistema de aquecimento, entretanto, sua participação ainda é viável em 2,6%.

Áustria

Um total de 190.200 sistemas de bomba de calor foram instalados na Áustria entre 1975 e 2005. A maioria das bombas de calor anuais foi instalada em 1986 e 1987 (com mais de 13.000 bombas de calor por ano).

Suíça

Na Suíça, a participação de mercado de novos edifícios é de cerca de 75%. A especificação. O custo do aquecimento com bomba de calor com energia geotérmica é de 3,9  Rp / kWh. (cerca de 3,2 centavos / kWh), enquanto o aquecimento a óleo convencional com especificações Devem ser estimados custos de 7,9 cêntimos / kWh (cerca de 6,6 cêntimos / kWh). O financiamento estatal é, portanto, supérfluo. Em 2017, bombas de calor foram instaladas em 18,4% dos lares. 17,9% dos agregados familiares utilizavam a bomba de calor como principal fonte de calor e 0,5% como suplemento.

custos

Investimento direto

O investimento inicial em sistemas de bomba de calor é maior do que em caldeiras convencionais que queimam gás ou óleo. Não há custos adicionais, como a instalação de uma chaminé em um novo prédio. Também não há necessidade de depósito de combustível no caso de óleo, pellets ou lenha.

Os sistemas de aquecimento por bomba de calor baseados em coletores geotérmicos ou sondas geotérmicas são bastante dispendiosos devido à sua instalação (vários furos de até pelo menos 50 metros ou escavação em grande escala) e só podem ser usados ​​economicamente para novas construções. Os coletores de solo, em particular, requerem terrenos relativamente grandes, o que dificilmente pode ser alcançado em áreas metropolitanas. Para pequenas áreas de propriedade e para edifícios existentes, coletores espirais / cestos geotérmicos são uma alternativa, por exemplo, durante uma renovação energética do antigo edifício.

Mesmo com bombas de calor que utilizam água subterrânea como fonte de energia, os custos de investimento e as demandas na área da propriedade são elevados. Como regra, um poço de distribuição e um poço de injeção (a uma distância de pelo menos cerca de 15 m aproximadamente na direção do fluxo de água subterrânea, profundidade suficientemente abaixo do nível do lençol freático), bem como a linha de conexão subterrânea ao sistema devem ser construído. Os poços são perfurados com diâmetro de 15 a 30 cm ou, se o lençol freático for alto, são projetados como poço de até cerca de 4 m. Em vez do poço de drenagem, às vezes é construído apenas um poço de drenagem mais barato, o que, no entanto, altera a gestão da água da propriedade e, portanto, geralmente não é permitido. Além disso, uma capacidade de bombeamento ligeiramente maior da bomba de alimentação é necessária, uma vez que a energia de altura da água bombeada é perdida. Em algumas áreas, no entanto, o uso simultâneo de água subterrânea para irrigação de jardins de verão é permitido. Os custos variam muito dependendo das condições estruturais. Além disso, existem custos adicionais para um levantamento de solo e o processo de aprovação.

Custos de investimento menores são incorridos com sistemas baseados em ar-água ou ar-ar, porque os custos de aquisição e instalação são significativamente menores. No entanto, com sistemas ar-água ou ar-ar, pode-se esperar um coeficiente de desempenho significativamente inferior no inverno, o que significa que os custos operacionais são maiores do que com os sistemas terrestres. Uma bomba de calor ar-água é, portanto, adequada para operação bivalente com um sistema de aquecimento fóssil existente que cobre cargas de pico e temperaturas externas muito baixas.

Outro investimento a ser considerado na utilização da corrente de aquecimento mais barata é a instalação de um segundo medidor de energia elétrica, que pode resultar no prolongamento da caixa de energia elétrica em edifícios existentes.

custo operacional

Óleo de aquecimento

Um litro de óleo para aquecimento atualmente custa cerca de 50 centavos (em 19 de outubro de 2016) e contém cerca de 9 a 10 kWh de energia termicamente utilizável. Isso resulta em um preço de petróleo em torno de 5 a 6 centavos / kWh. As caldeiras de condensação a óleo têm uma eficiência média de cerca de 90% em operação. Isso resulta em um preço de 5,6 a 6,6 centavos / kWh de calor para a geração de calor útil. Não estão incluídos os requisitos de energia da bomba de compressão pertencente ao queimador de óleo e à ventoinha que mistura o óleo atomizado com o ar.

gás natural

O preço do combustível para o gás natural em setembro de 2014 era de 5 ct por kWh, com uma necessidade anual de 20.000 kWh. No entanto, de acordo com um estudo do Öko-Institut , caldeiras de condensação a gás com eficiências relacionadas ao poder calorífico acima de 100% ainda requerem 1,114 kWh de energia primária por kWh de energia útil. Isso também inclui a eletricidade necessária para o exaustor. Portanto, eles geram custos de cerca de 5,6 centavos / kWh de calor útil.

Baixa tarifa de eletricidade

Com um preço bruto atual da eletricidade de 22,51 cêntimos / kWh (tarifa de eletricidade da bomba de calor , a partir de 04/2013, incluindo todos os impostos e encargos) e um fator de desempenho anual JAZ do aquecimento da bomba de calor de 4,0 no melhor caso, a geração de calor útil usando custos de ar-água - Bomba de calor no máximo 5,6 cêntimos de euro / kWh (bruto). Existem também tarifas variáveis que variam de acordo com o fornecimento de energia elétrica atual, entre outras coisas. Desde o final de 2010, todos os fornecedores de eletricidade na Alemanha tiveram que usar essa tarifa. Por eletricidade fotovoltaica ocupada pelo proprietário ( custos de geração de eletricidade ct cerca de 12 / kWh (6/2014)) Os custos operacionais podem ser reduzidos ainda mais.

Não há custo para o limpador de chaminés se não houver uma salamandra adicional ou similar.

A tarifa da bomba de calor oferecida pelo fornecedor de eletricidade é consideravelmente mais barata do que a tarifa doméstica utilizada. Do ponto de vista econômico, os custos de investimento mais elevados da bomba de calor em comparação com um queimador de óleo ou gás, o preço da eletricidade oferecido para a bomba de calor e seus tempos de funcionamento e o desempenho da bomba de calor devem ser levados em consideração como em qualquer economia Cálculo.

Riscos

Em particular, a extração de energia geotérmica por meio de poços geotérmicos está repleta de riscos. Em Staufen im Breisgau, após a perfuração para bombas de calor geotérmicas em 2006 e 2007, o terreno aumentou significativamente no centro histórico da cidade. Os edifícios desenvolveram rachaduras . O valor estimado dos danos é de 50 milhões de euros. Alguns dos furos criaram uma conexão entre a camada de água subterrânea e a camada de gesso keuper . Quando a água penetrou na anidrita embutida na camada de gesso keuper , uma reação química ocorreu e o gesso foi formado. Isso é acompanhado por um aumento significativo de volume. O terreno se ergueu no centro da cidade. Casos semelhantes ocorreram em Böblingen, Kamen, Rudersberg e Schorndorf. O solo nem sempre subia, em alguns casos os furos também faziam com que o subsolo afundasse. A perfuração geotérmica em Basel foi cancelada devido a terremotos inesperadamente fortes desencadeados pela perfuração.

Importância econômica

Do ponto de vista econômico, os sistemas de aquecimento a gás e óleo os tornam dependentes de outros países, já que mais de 90% do consumo de gás natural e óleo mineral na Alemanha tem que ser importado. Além disso, esses recursos são finitos e afetados por flutuações de preços às vezes drásticas. Dependendo da figura de desempenho da bomba de calor, bem como da eficiência e combustível da usina marginal , o consumo de óleo para aquecimento ou gás natural muda da casa para carvão ou linhita em usinas termelétricas movidas a fóssil . Isso reduz a dependência da importação de recursos energéticos caros, como petróleo e gás natural. Com o aumento da participação das energias renováveis (participação da matriz elétrica em 2017: 36%) e a construção de usinas convencionais mais eficientes , a dependência da importação de energia também cai ainda mais no setor de aquecimento.

Além disso, um estudo encomendado pelo Ministério Federal da Economia concluiu que os sistemas de aquecimento por bomba de calor podem contribuir para uma melhor integração da rede de energias renováveis, especialmente a eólica , bem como para a gestão descentralizada da carga no mercado da eletricidade. Com a operação amigável da rede de bombas de calor, a integração da rede de alimentadores flutuantes poderia ser economicamente mais favorável.

Em conexão com sistemas fotovoltaicos

Em interação com a energia fotovoltaica no edifício, um fornecimento próprio de energia regenerativa até um balanço energético anual negativo - ou seja, um excedente de eletricidade - pode ser alcançado. A operação autossuficiente do edifício ainda não é possível. Na operação prática, a diferença sazonal na geração de eletricidade da energia fotovoltaica deve ser levada em consideração. Em particular nos dias frios e escuros de inverno, os sistemas fotovoltaicos habituais em edifícios residenciais não geram energia suficiente para cobrir as necessidades diárias da casa e da bomba de calor. Durante este período, a eletricidade para o funcionamento da bomba de calor deve ser retirada da rede pública. Um baixo equilíbrio dia-noite pode ser alcançado por meio de armazenamento.

Uma alternativa ao armazenamento de energia solar em baterias solares é armazenar a energia em sistemas de armazenamento de calor . Para isso, a energia solar z. B. reciclado com uma bomba de calor para aquecer água, que é armazenada em um armazenamento de calor (semelhante a um jarro isolante ). A energia térmica armazenada desta forma não é então convertida de volta em energia elétrica, mas usada para aquecimento ou água quente , dependendo do projeto do sistema de aquecimento . Com a queda nos preços dos módulos fotovoltaicos, esse sistema costuma ser mais econômico do que um sistema solar térmico e oferece a flexibilidade de usar energia elétrica e térmica.

Veja também

• Chiller
• Associação Federal de Bombas de Calor

Links da web

• Federal Heat Pump Association (BWP) e. V.
• Mercado de bombas de calor NRW ( Agência de Energia NRW )
• Stiftung Warentest: Teste de sistemas de aquecimento de bomba de calor
• O BUND em sistemas de aquecimento com bomba de calor (PDF, abril de 2008; 248 kB)
• E-Book Your Heat Pump Book (82 páginas; PDF; 10 de fevereiro de 2016; 7,3 MB)

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