Calefacció i refrigeració amb una bomba de calor - Part 1

Introducció

Si esteu explorant opcions per escalfar i refredar la vostra llar o reduir les vostres factures d'energia, potser voldreu considerar un sistema de bomba de calor. Les bombes de calor són una tecnologia provada i fiable al Canadà, capaç de proporcionar un control de confort durant tot l'any per a la vostra llar proporcionant calor a l'hivern, refrigerant a l'estiu i, en alguns casos, escalfant aigua calenta per a la vostra llar.

Les bombes de calor poden ser una opció excel·lent en una varietat d'aplicacions, i tant per a habitatges nous com per a les reformes dels sistemes de calefacció i refrigeració existents. També són una opció a l'hora de substituir els sistemes d'aire condicionat existents, ja que el cost incremental per passar d'un sistema només de refrigeració a una bomba de calor sovint és bastant baix. Donada la riquesa de diferents tipus i opcions de sistemes, sovint pot ser difícil determinar si una bomba de calor és l'opció adequada per a la vostra llar.

Si esteu pensant en una bomba de calor, és probable que tingueu diverses preguntes, com ara:

• Quins tipus de bombes de calor hi ha disponibles?
• Quina part de les meves necessitats anuals de calefacció i refrigeració pot proporcionar una bomba de calor?
• Quina mida de bomba de calor necessito per a la meva llar i aplicació?
• Quant costen les bombes de calor en comparació amb altres sistemes i quant puc estalviar en la meva factura d'energia?
• Hauré de fer modificacions addicionals a casa meva?
• Quant de manteniment necessitarà el sistema?

Aquest fullet ofereix dades importants sobre les bombes de calor per ajudar-vos a estar més informat i ajudar-vos a prendre la decisió correcta per a la vostra llar. Utilitzant aquestes preguntes com a guia, aquest fullet descriu els tipus més comuns de bombes de calor i analitza els factors que intervenen en l'elecció, instal·lació, funcionament i manteniment d'una bomba de calor.

Públic objectiu

Aquest fullet està destinat als propietaris que busquen informació bàsica sobre tecnologies de bombes de calor per donar suport a la presa de decisions informades sobre la selecció i integració, operació i manteniment del sistema. La informació que es proporciona aquí és general i els detalls específics poden variar segons la instal·lació i el tipus de sistema. Aquest fullet no ha de substituir el treball amb un contractista o assessor energètic, que s'assegurarà que la seva instal·lació compleixi amb les seves necessitats i objectius desitjats.

Una nota sobre la gestió energètica a la llar

Les bombes de calor són sistemes de calefacció i refrigeració molt eficients i poden reduir significativament els costos energètics. En pensar la llar com un sistema, es recomana minimitzar les pèrdues de calor de la seva llar per zones com les fuites d'aire (per esquerdes, forats), parets, sostres, finestres i portes mal aïllats.

Abordar aquests problemes primer us pot permetre utilitzar una mida de bomba de calor més petita, reduint així els costos de l'equip de la bomba de calor i permetent que el vostre sistema funcioni de manera més eficient.

Hi ha diverses publicacions que expliquen com fer-ho estan disponibles a Natural Resources Canada.

Què és una bomba de calor i com funciona?

Les bombes de calor són una tecnologia provada que s'ha utilitzat durant dècades, tant al Canadà com a nivell mundial, per proporcionar calefacció, refrigeració i, en alguns casos, aigua calenta als edificis de manera eficient. De fet, és probable que interactueu amb la tecnologia de la bomba de calor diàriament: les neveres i els aparells d'aire condicionat funcionen amb els mateixos principis i tecnologia. Aquesta secció presenta els conceptes bàsics del funcionament d'una bomba de calor i presenta diferents tipus de sistemes.

Conceptes bàsics de bomba de calor

Una bomba de calor és un dispositiu d'accionament elèctric que extreu calor d'un lloc de baixa temperatura (una font) i la lliura a un lloc de temperatura més alta (una pica).

Per entendre aquest procés, penseu en un passeig amb bicicleta per un turó: no cal esforçar-se per anar de dalt a baix del turó, ja que la bicicleta i el genet es mouran de manera natural d'un lloc alt a un altre més baix. Tanmateix, pujar el turó requereix molta més feina, ja que la bicicleta es mou en contra de la direcció natural del moviment.

De manera similar, la calor flueix de manera natural des de llocs amb més temperatura cap a llocs amb temperatures més baixes (p. ex., a l'hivern, la calor de l'interior de l'edifici es perd cap a l'exterior). Una bomba de calor utilitza energia elèctrica addicional per contrarestar el flux natural de calor i bomba l'energia disponible en un lloc més fred a un de més càlid.

Llavors, com escalfa o refreda la teva llar una bomba de calor? A mesura que s'extreu energia d'una font, la temperatura de la font es redueix. Si l'habitatge s'utilitza com a font, s'eliminarà l'energia tèrmica, refredant aquest espai. Així és com funciona una bomba de calor en mode de refrigeració, i és el mateix principi que utilitzen els aparells d'aire condicionat i les neveres. De la mateixa manera, a mesura que s'afegeix energia a una pica, la seva temperatura augmenta. Si l'habitatge s'utilitza com a pica, s'hi afegirà energia tèrmica, escalfant l'espai. Una bomba de calor és totalment reversible, és a dir, pot escalfar i refredar la vostra llar, proporcionant comoditat durant tot l'any.

Fonts i embornals per a bombes de calor

La selecció de la font i l'aigüera per al vostre sistema de bomba de calor contribueix en gran mesura a determinar el rendiment, els costos de capital i els costos operatius del vostre sistema. Aquesta secció ofereix una breu visió general de les fonts i embornals comuns per a aplicacions residencials al Canadà.

Fonts: al Canadà s'utilitzen més habitualment dues fonts d'energia tèrmica per escalfar llars amb bombes de calor:

• Font d'aire: la bomba de calor extreu calor de l'aire exterior durant la temporada de calefacció i rebutja la calor exterior durant la temporada de refredament d'estiu.
• Pot ser sorprenent saber que fins i tot quan les temperatures exteriors són fredes, encara hi ha una bona quantitat d'energia disponible que es pot extreure i lliurar a l'edifici. Per exemple, el contingut de calor de l'aire a -18 °C equival al 85% de la calor continguda a 21 °C. Això permet que la bomba de calor proporcioni una bona quantitat de calefacció, fins i tot durant el temps més fred.
• Els sistemes de font d'aire són els més comuns al mercat canadenc, amb més de 700.000 unitats instal·lades a tot Canadà.
• Aquest tipus de sistema es tracta amb més detall a la secció Bombes de calor de font d'aire.
• Font del sòl: una bomba de calor del sòl utilitza la terra, l'aigua subterrània o ambdues com a font de calor a l'hivern i com a dipòsit per rebutjar la calor retirada de la llar a l'estiu.
• Aquestes bombes de calor són menys comunes que les unitats de font d'aire, però s'utilitzen cada cop més a totes les províncies del Canadà. El seu avantatge principal és que no estan subjectes a fluctuacions extremes de temperatura, utilitzant el sòl com a font de temperatura constant, el que resulta en el tipus de sistema de bomba de calor més eficient energèticament.
• Aquest tipus de sistema es parla amb més detall a la secció Bombes de calor de fonts terrestres.

Aigüeres: dos embornals per a energia tèrmica s'utilitzen més habitualment per escalfar llars amb bombes de calor al Canadà:

• L'aire interior s'escalfa amb la bomba de calor. Això es pot fer mitjançant: S'escalfa l'aigua de l'interior de l'edifici. Aleshores, aquesta aigua es pot utilitzar per servir sistemes terminals com ara radiadors, un sòl radiant o unitats de fan coil mitjançant un sistema hidrònic.
  • Un sistema de canalització central o
  • Una unitat interior sense conductes, com ara una unitat de paret.

Introducció a l'eficiència de la bomba de calor

Els forns i les calderes proporcionen la calefacció de l'espai afegint calor a l'aire mitjançant la combustió d'un combustible com el gas natural o el gasoil. Tot i que les eficiències han millorat contínuament, encara es mantenen per sota del 100%, el que significa que no tota l'energia disponible de la combustió s'utilitza per escalfar l'aire.

Les bombes de calor funcionen amb un principi diferent. L'entrada d'electricitat a la bomba de calor s'utilitza per transferir energia tèrmica entre dues ubicacions. Això permet que la bomba de calor funcioni de manera més eficient, amb eficiències típiques molt superiors

100%, és a dir, es produeix més energia tèrmica que la quantitat d'energia elèctrica utilitzada per bombejar-la.

És important tenir en compte que l'eficiència de la bomba de calor depèn en gran mesura de les temperatures de la font i la pica. De la mateixa manera que un turó més empinat requereix més esforç per pujar amb una bicicleta, les diferències de temperatura més grans entre la font i la pica de la bomba de calor requereixen que treballi més i poden reduir l'eficiència. Determinar la mida adequada de la bomba de calor per maximitzar l'eficiència estacional és fonamental. Aquests aspectes es comenten amb més detall a les seccions Bombes de calor de font d'aire i Bombes de calor de font terrestre.

Terminologia d'eficiència

Als catàlegs de fabricants s'utilitzen una varietat de mètriques d'eficiència, que poden fer que la comprensió del rendiment del sistema sigui una mica confús per a un comprador per primera vegada. A continuació es mostra un desglossament d'alguns termes d'eficiència d'ús habitual:

Mètriques d'estat estacionari: aquestes mesures descriuen l'eficiència de la bomba de calor en un "estat estacionari", és a dir, sense fluctuacions de la vida real en la temporada i la temperatura. Com a tal, el seu valor pot canviar significativament a mesura que canvien les temperatures de la font i de l'embornal, i altres paràmetres operatius. Les mètriques d'estat estacionari inclouen:

Coeficient de rendiment (COP): El COP és una relació entre la velocitat a la qual la bomba de calor transfereix energia tèrmica (en kW) i la quantitat d'energia elèctrica necessària per fer el bombeig (en kW). Per exemple, si una bomba de calor utilitza 1 kW d'energia elèctrica per transferir 3 kW de calor, el COP seria 3.

Relació d'eficiència energètica (EER): l'EER és similar al COP i descriu l'eficiència de refrigeració en estat estacionari d'una bomba de calor. Es determina dividint la capacitat de refrigeració de la bomba de calor en Btu/h per l'entrada d'energia elèctrica en watts (W) a una temperatura específica. L'EER s'associa estrictament amb la descripció de l'eficiència de refrigeració en estat estacionari, a diferència del COP que es pot utilitzar per expressar l'eficiència d'una bomba de calor tant en calefacció com en refrigeració.

Mètriques de rendiment estacional: aquestes mesures estan dissenyades per donar una millor estimació del rendiment durant una temporada de calefacció o refrigeració, incorporant les variacions "reals" de les temperatures al llarg de la temporada.

Les mètriques estacionals inclouen:

• Factor de rendiment estacional de calefacció (HSPF): HSPF és una relació entre la quantitat d'energia que la bomba de calor proporciona a l'edifici durant la temporada de calefacció completa (en Btu) i l'energia total (en Watts) que utilitza durant el mateix període.

Les característiques de les dades meteorològiques de les condicions climàtiques a llarg termini s'utilitzen per representar la temporada de calefacció en el càlcul de l'HSPF. Tanmateix, aquest càlcul normalment es limita a una sola regió i és possible que no representi completament el rendiment a tot el Canadà. Alguns fabricants poden proporcionar un HSPF per a una altra regió climàtica a petició; tanmateix, normalment es notifiquen HSPF per a la Regió 4, que representen climes similars al mig oest dels EUA. La regió 5 cobriria la major part de la meitat sud de les províncies del Canadà, des de l'interior de la BC fins a Nou Brunswick.

• Ratio d'eficiència energètica estacional (SEER): SEER mesura l'eficiència de refrigeració de la bomba de calor durant tota la temporada de refrigeració. Es determina dividint la refrigeració total proporcionada durant la temporada de refrigeració (en Btu) per l'energia total utilitzada per la bomba de calor durant aquest temps (en watts-hora). El SEER es basa en un clima amb una temperatura mitjana estival de 28 °C.

Terminologia important per a sistemes de bombes de calor

Aquests són alguns termes comuns que podeu trobar mentre investigueu les bombes de calor.

Components del sistema de bomba de calor

El refrigerant és el fluid que circula per la bomba de calor, absorbint, transportant i alliberant calor alternativament. Depenent de la seva ubicació, el fluid pot ser líquid, gasós o una barreja de gas/vapor

La vàlvula inversora controla la direcció del flux del refrigerant a la bomba de calor i canvia la bomba de calor del mode de calefacció a refrigeració o viceversa.

Una bobina és un bucle, o bucles, de tubs on es produeix la transferència de calor entre la font/aigüera i el refrigerant. El tub pot tenir aletes per augmentar la superfície disponible per a l'intercanvi de calor.

L'evaporador és una bobina en la qual el refrigerant absorbeix la calor del seu entorn i bull per convertir-se en un vapor a baixa temperatura. A mesura que el refrigerant passa de la vàlvula inversora al compressor, l'acumulador recull qualsevol excés de líquid que no s'ha vaporitzat en un gas. No totes les bombes de calor, però, tenen acumulador.

El compressor comprimeix les molècules del gas refrigerant, augmentant la temperatura del refrigerant. Aquest dispositiu ajuda a transferir l'energia tèrmica entre la font i la pica.

El condensador és una bobina en la qual el refrigerant desprèn calor al seu entorn i es converteix en líquid.

El dispositiu d'expansió redueix la pressió creada pel compressor. Això fa que la temperatura baixi i el refrigerant es converteixi en una barreja de vapor/líquid a baixa temperatura.

La unitat exterior és on la calor es transfereix a/des de l'aire exterior en una bomba de calor de font d'aire. Aquesta unitat generalment conté una bobina d'intercanviador de calor, el compressor i la vàlvula d'expansió. Té un aspecte i funciona de la mateixa manera que la part exterior d'un aparell d'aire condicionat.

La bobina interior és on es transfereix la calor a/des de l'aire interior en certs tipus de bombes de calor d'aire. En general, la unitat interior conté una bobina d'intercanviador de calor i també pot incloure un ventilador addicional per fer circular l'aire escalfat o refrigerat a l'espai ocupat.

El ple, només es veu en instal·lacions canalitzades, forma part de la xarxa de distribució d'aire. El plenum és un compartiment d'aire que forma part del sistema de distribució de l'aire escalfat o refrigerat per l'habitatge. En general, és un compartiment gran immediatament a sobre o al voltant de l'intercanviador de calor.

Altres Termes

Unitats de mesura de capacitat o consum d'energia:

• Un Btu/h, o unitat tèrmica britànica per hora, és una unitat que s'utilitza per mesurar la producció de calor d'un sistema de calefacció. Un Btu és la quantitat d'energia tèrmica que emet una espelma d'aniversari típica. Si aquesta energia tèrmica s'alliberés en el transcurs d'una hora, seria l'equivalent a un Btu/h.
• Un kW, o quilowatt, és igual a 1000 watts. Aquesta és la quantitat de potència que requereixen deu bombetes de 100 watts.
• Una tona és una mesura de la capacitat de la bomba de calor. És equivalent a 3,5 kW o 12 000 Btu/h.

Bombes de calor de font d'aire

Les bombes de calor de font d'aire utilitzen l'aire exterior com a font d'energia tèrmica en mode de calefacció i com a pica per rebutjar l'energia en mode de refrigeració. Aquest tipus de sistemes generalment es poden classificar en dues categories:

Bombes de calor aire-aire. Aquestes unitats escalfen o refreden l'aire de la vostra llar i representen la gran majoria de les integracions de bombes de calor amb font d'aire al Canadà. Es poden classificar més segons el tipus d'instal·lació:

• Conducte: El serpentí interior de la bomba de calor es troba en un conducte. L'aire s'escalfa o refreda passant per la bobina, abans de ser distribuït a través dels conductes a diferents llocs de la llar.
• Sense conductes: la bobina interior de la bomba de calor es troba en una unitat interior. Aquestes unitats interiors es troben generalment al terra o a la paret d'un espai ocupat i escalfen o refreden l'aire d'aquest espai directament. Entre aquestes unitats, podeu veure els termes mini-split i multi-split:
  • Mini-Split: una única unitat interior es troba a l'interior de la llar, servida per una única unitat exterior.
  • Divisió múltiple: diverses unitats interiors es troben a la llar i són ateses per una única unitat exterior.

Els sistemes aire-aire són més eficients quan la diferència de temperatura entre l'interior i l'exterior és menor. Per això, les bombes de calor aire-aire, generalment, intenten optimitzar la seva eficiència proporcionant un major volum d'aire calent i escalfant aquest aire a una temperatura més baixa (normalment entre 25 i 45 °C). Això contrasta amb els sistemes de forn, que proporcionen un volum d'aire més petit, però escalfen aquest aire a temperatures més altes (entre 55 °C i 60 °C). Si canvieu a una bomba de calor des d'un forn, és possible que ho noteu quan comenceu a utilitzar la vostra nova bomba de calor.

Bombes de calor aire-aigua: menys comunes al Canadà, les bombes de calor aire-aigua escalfen o refreden aigua i s'utilitzen a les cases amb sistemes de distribució hidrònics (a base d'aigua), com ara radiadors de baixa temperatura, terres radiants o unitats de fan coil. En mode de calefacció, la bomba de calor proporciona energia tèrmica al sistema hidrònic. Aquest procés s'inverteix en mode de refrigeració i l'energia tèrmica s'extreu del sistema hidrònic i es rebutja a l'aire exterior.

Les temperatures de funcionament del sistema hidrònic són crítiques a l'hora d'avaluar les bombes de calor aire-aigua. Les bombes de calor aire-aigua funcionen de manera més eficient quan s'escalfen l'aigua a temperatures més baixes, és a dir, per sota de 45 a 50 °C, i com a tal s'adapten millor als sòls radiants o als sistemes de fan coil. Cal tenir cura si es té en compte el seu ús amb radiadors d'alta temperatura que requereixen temperatures de l'aigua superiors als 60°C, ja que aquestes temperatures generalment superen els límits de la majoria de bombes de calor residencials.

Principals avantatges de les bombes de calor de font d'aire

La instal·lació d'una bomba de calor d'aire pot oferir una sèrie d'avantatges. Aquesta secció explora com les bombes de calor de font d'aire poden beneficiar la petjada energètica de la vostra llar.

Eficiència

El principal avantatge d'utilitzar una bomba de calor d'aire és l'alta eficiència que pot proporcionar en la calefacció en comparació amb els sistemes típics com els forns, les calderes i els sòcols elèctrics. A 8 °C, el coeficient de rendiment (COP) de les bombes de calor de font d'aire oscil·la normalment entre 2,0 i 5,4. Això significa que, per a les unitats amb un COP de 5, es transfereixen 5 quilowatts hora (kWh) de calor per cada kWh d'electricitat subministrada a la bomba de calor. A mesura que la temperatura de l'aire exterior baixa, els COP són més baixos, ja que la bomba de calor ha de funcionar amb una diferència de temperatura més gran entre l'espai interior i l'exterior. A -8 °C, els COP poden oscil·lar entre 1,1 i 3,7.

De manera estacional, el factor de rendiment estacional de calefacció (HSPF) de les unitats disponibles al mercat pot variar entre 7,1 i 13,2 (Regió V). És important tenir en compte que aquestes estimacions de l'HSPF són per a una zona amb un clima similar a Ottawa. Els estalvis reals depenen molt de la ubicació de la instal·lació de la bomba de calor.

Estalvi d'energia

La major eficiència de la bomba de calor es pot traduir en importants reduccions de consum d'energia. L'estalvi real de la vostra casa dependrà de diversos factors, com ara el vostre clima local, l'eficiència del vostre sistema actual, la mida i el tipus de bomba de calor i l'estratègia de control. Hi ha moltes calculadores en línia disponibles per proporcionar una estimació ràpida de la quantitat d'estalvi d'energia que podeu esperar per a la vostra aplicació concreta. L'eina ASHP-Eval de NRCan està disponible gratuïtament i la poden utilitzar els instal·ladors i els dissenyadors mecànics per ajudar-vos a assessorar sobre la vostra situació.

Com funciona una bomba de calor de font d'aire?

Transcripció

Una bomba de calor d'aire té tres cicles:

• El Cicle de Calefacció: Proporcionar energia tèrmica a l'edifici
• El cicle de refrigeració: eliminació d'energia tèrmica de l'edifici
• El cicle de descongelació: eliminació de gelades
• acumulació en bobines exteriors

El cicle de calefacció

Observació:

Alguns dels articles estan extrets d'Internet. Si hi ha alguna infracció, poseu-vos en contacte amb nosaltres per eliminar-la. Si esteu interessats en productes de bomba de calor, no dubteu a contactar amb l'empresa de bombes de calor OSB, som la vostra millor opció.