Sistemas de climatização e AQS (UFCD 10968)

Introdução

Um edifício confortável tem quase sempre, escondidos numa casa das máquinas, numa cobertura ou atrás de um teto falso, três sistemas a trabalhar: um que arrefece, um que aquece e um que produz água quente sanitária (AQS). O técnico de refrigeração e climatização raramente fica só com um deles. Ao longo da carreira vai montar um split numa sala, purgar um circuito de radiadores, medir o caudal de um chiller, afinar a curva de aquecimento de uma bomba de calor e explicar a um cliente porque é que o termoacumulador não aquece. Esta sebenta dá-lhe a visão de conjunto e, em cada sistema, o lado de oficina: o que se vê, o que se mede, como se afina e o que se verifica antes de entregar.

O percurso segue o referencial da unidade. Começamos pelos fundamentos de calor, temperatura e hidráulica, porque tudo o que vem depois (caudais, potências, pressões, perdas) assenta nessas grandezas. Passamos ao enquadramento regulamentar dos processos de aquecimento e arrefecimento. Seguem-se os sistemas de arrefecimento, de expansão direta e indiretos, os sistemas de aquecimento com todos os seus componentes, a preparação de AQS com o respetivo cálculo e o contributo do solar térmico. Fechamos com os fluidos térmicos, a regulação e o controlo, o ciclo de compressão de vapor em bomba de calor com inversão de ciclo, os procedimentos de enchimento, purga e colocação em serviço e a complementaridade entre sistemas.

Objetivos de aprendizagem (referencial):

• reconhecer os conceitos fundamentais de calor, temperatura e hidráulica;
• reconhecer o enquadramento regulamentar dos processos de aquecimento;
• descrever o funcionamento dos sistemas de arrefecimento, aquecimento ambiente e produção de AQS;
• caracterizar os principais fluidos térmicos;
• descrever métodos de regulação e controlo desses sistemas;
• descrever o ciclo básico de refrigeração por compressão de vapor em sistemas do tipo bomba de calor com inversão de ciclo;
• reconhecer a complementaridade dos diferentes sistemas de aquecimento.

Como estudar com esta sebenta. Cada capítulo tem a explicação, tabelas de consulta e, quando há contas, um exemplo resolvido passo a passo. Refaz as contas com a calculadora antes de ler a solução. Sempre que possível, repete na oficina: lê o manómetro de um circuito, mede a temperatura de ida e de retorno com um termómetro de contacto, abre e fecha uma válvula de purga. Esta é uma unidade de iniciação a vários sistemas; as intervenções em circuitos de fluido frigorigéneo, em instalações a gás e na rede elétrica exigem formação, certificação e supervisão próprias, e nas aulas fazem-se só as medições e operações indicadas pelo professor.

Regra de segurança que atravessa tudo. Antes de abrir, desmontar ou intervir em qualquer equipamento: desligar da rede elétrica, bloquear e sinalizar o corte, verificar a ausência de tensão com o multímetro, despressurizar e deixar arrefecer. Água a mais de 50 °C queima, um circuito pressurizado projeta água e vapor, e um quadro elétrico aberto mata.

1. Fundamentos de calor e temperatura

Calor e temperatura não são a mesma coisa

A temperatura mede o grau de agitação das partículas de um corpo, o quão quente ou frio ele está. Lê-se com termómetros, em graus Celsius (°C) ou em kelvin (K). O calor é a energia que passa de um corpo mais quente para um mais frio por haver uma diferença de temperatura. Mede-se em joule (J), em quilojoule (kJ) ou, na prática de oficina e de faturação, em quilowatt-hora (kWh).

Um balde de água a 60 °C e uma piscina a 30 °C: o balde está mais quente, mas a piscina contém muito mais calor, porque tem muito mais massa. Por isso um termoacumulador de 200 litros demora horas a aquecer e uma chaleira só minutos.

Nas diferenças de temperatura (ida menos retorno) escreve-se K em vez de °C: um circuito com ida a 70 °C e retorno a 55 °C tem ΔT = 15 K.

Calor sensível e calor latente

Quando um corpo recebe calor e a temperatura sobe, esse é o calor sensível: dá para o sentir e medir com um termómetro. Quando recebe calor e a temperatura não sobe porque o corpo está a mudar de estado (gelo a derreter, água a ferver, fluido frigorigéneo a evaporar), esse é o calor latente.

• Calor sensível: Q = m × c × ΔT, em que m é a massa (kg), c o calor específico (kJ/kg·K) e ΔT a variação de temperatura (K).
• Calor latente: Q = m × L, em que L é o calor latente de mudança de estado (kJ/kg). Para a água a evaporar a 100 °C à pressão atmosférica, L é cerca de 2 257 kJ/kg, mais de cinco vezes o calor necessário para aquecer o mesmo quilo de água de 0 °C a 100 °C (cerca de 418 kJ).

Esta grande diferença é a razão de ser da refrigeração por compressão de vapor: o fluido frigorigéneo evapora no evaporador, absorvendo muito calor latente com pouca massa, e condensa no condensador, libertando-o. Voltaremos a isto no capítulo 15.

O calor específico da água é cerca de 4,18 kJ/kg·K, que equivale a 1,163 Wh/kg·K. É um dos valores mais altos entre os fluidos correntes, e é por isso que a água é o fluido preferido para transportar calor.

Exemplo resolvido · energia para aquecer um termoacumulador

Quanta energia é preciso para aquecer 200 litros de água de 15 °C a 60 °C? Quanto tempo demora com uma resistência de 2 kW, ignorando perdas?

1. Massa: 200 l ≈ 200 kg.
2. ΔT = 60 - 15 = 45 K.
3. Q = 200 × 4,18 × 45 = 37 620 kJ.
4. Em kWh: 37 620 / 3 600 = 10,45 kWh.
5. Tempo = energia / potência = 10,45 / 2 = 5,2 h, ou seja cerca de 5 h 14 min.

Com perdas pelas paredes do acumulador e pela resistência, o tempo real é um pouco maior. Esta conta é a base de todo o dimensionamento de AQS.

A fórmula de oficina: potência a partir do caudal

Em circuitos de água, o técnico raramente conhece a massa de água, conhece o caudal e mede as temperaturas. A potência transportada obtém-se por:

P (kW) = 0,001163 × V̇ (l/h) × ΔT (K)

ou, com o caudal em m³/h, P (kW) = 1,163 × V̇ (m³/h) × ΔT (K).

Exemplo resolvido · potência de um ramal de radiadores

Um ramal tem caudal de 600 l/h, temperatura de ida 70 °C e de retorno 55 °C. Que potência está a ser entregue?

1. ΔT = 70 - 55 = 15 K.
2. P = 0,001163 × 600 × 15 = 10,5 kW.

Se o técnico medir ida e retorno com o mesmo ΔT mas o caudal for metade, a potência cai para metade. É por isso que um circuito mal purgado ou mal equilibrado "não aquece": o caudal falha, e a potência com ele.

As três formas de transmissão de calor

Os radiadores têm este nome por tradição, mas transmitem a maior parte do calor por convecção; o piso radiante transmite cerca de metade por radiação e a outra metade por convecção, o que explica o conforto de ter os pés quentes e o ar mais fresco. Os isolamentos funcionam contra a condução (espuma de polietileno, lã mineral), e as superfícies brilhantes contra a radiação.

Medir temperatura na oficina

Procedimento para medir ida e retorno: (1) limpar o tubo com uma lixa fina no local da medição; (2) colocar a sonda de braçadeira em contacto firme e isolá-la com um pedaço de espuma; (3) esperar 1 a 2 minutos até a leitura estabilizar; (4) ler ida e retorno com o equipamento em regime estável (pelo menos 15 minutos depois de arrancar); (5) registar com a data, a hora, a temperatura exterior e o caudal, se conhecido.

2. Fundamentos de hidráulica

Pressão, altura e caudal

Num circuito de água fechado, o técnico trabalha com três ideias: pressão, caudal e perda de carga.

A pressão exprime-se em bar (ou kPa). Uma coluna de água de 10 metros de altura exerce cerca de 1 bar na base (mais precisamente 0,98 bar). Por isso, num prédio de seis pisos com cerca de 18 m entre a casa das máquinas e o ponto mais alto, a pressão estática no ponto mais baixo é 1,8 bar mais alta do que no mais alto, mesmo com a bomba parada. As alturas de bomba e as perdas de carga exprimem-se muitas vezes em metros de coluna de água (m c.a.), com 1 m c.a. ≈ 0,1 bar.

O caudal relaciona-se com a velocidade: Q = A × v, em que A é a secção interior do tubo. Em instalações de aquecimento em tubo de cobre ou multicamada, convém manter a velocidade da água entre cerca de 0,5 e 1,5 m/s. Acima disso há ruído e erosão; abaixo, deposita-se lama e ficam bolsas de ar.

Exemplo resolvido · velocidade num tubo

Um tubo de cobre 22 × 1 mm (diâmetro interior 20 mm) transporta 600 l/h. Qual a velocidade?

1. Caudal em m³/s: 600 l/h = 0,6 m³/h = 0,6 / 3 600 = 1,667 × 10⁻⁴ m³/s.
2. Área interior: A = π × (0,010)² = 3,14 × 10⁻⁴ m².
3. v = Q / A = 1,667 × 10⁻⁴ / 3,14 × 10⁻⁴ = 0,53 m/s. Está dentro do intervalo recomendado.

A bomba de circulação e a sua curva

Uma bomba de circulação não eleva a água para um reservatório, vence apenas as perdas de carga do circuito fechado. A cada bomba corresponde uma curva característica: a altura manométrica que fornece em função do caudal. O circuito tem a sua própria curva de perdas, que cresce com o quadrado do caudal. O ponto de funcionamento é a interseção das duas curvas.

• Fechar válvulas ou sujar filtros aumenta as perdas: o ponto de funcionamento desloca-se para menos caudal.
• Abrir mais ramais ou trocar tubo por outro de maior diâmetro diminui as perdas: o caudal aumenta.
• Uma bomba de velocidade variável (as de classe moderna, com eletrónica) ajusta-se em modo de pressão proporcional ou constante, para entregar apenas o caudal necessário.

Cavitação e ar. Uma bomba que aspira ar ou que trabalha com pressão de aspiração demasiado baixa faz um ruído de "areia" ou de "berlindes" e danifica-se. As causas mais comuns são circuito mal purgado, pressão de enchimento baixa e válvula de corte semi-fechada na aspiração.

Equilíbrio hidráulico e perdas de carga

Num circuito com vários emissores, a água segue sempre o caminho de menor resistência: os radiadores ou circuitos mais próximos da bomba recebem demasiado caudal, os mais afastados recebem pouco. Corrige-se com válvulas de equilíbrio (detentores nos radiadores, caudalímetros no coletor do piso radiante, válvulas de regulação com medidor de pressão diferencial), ajustadas até cada ramal receber o caudal de projeto.

Instrumentos de medição hidráulica

Exemplo resolvido · caudal necessário num fan-coil

Um fan-coil de 2,5 kW de arrefecimento trabalha com água a 7 °C na ida e 12 °C no retorno. Que caudal de água precisa?

1. ΔT = 12 - 7 = 5 K.
2. P = 0,001163 × V̇ × ΔT, logo V̇ = P / (0,001163 × ΔT) = 2,5 / (0,001163 × 5) = 2,5 / 0,005815.
3. V̇ = 430 l/h, ou seja 7,2 l/min.

Se o caudalímetro mostrar muito menos, a bateria não rende; se mostrar muito mais, o ΔT cai e o chiller perde eficiência.

3. Enquadramento regulamentar dos processos de aquecimento e arrefecimento

Porque há regras

Os sistemas de climatização e de AQS consomem energia, usam fluidos sob pressão, queimam combustíveis, produzem água que se bebe ou com a qual as pessoas se lavam e interferem com a saúde de quem respira o ar tratado. Por isso há várias áreas de regulamentação a cruzarem-se. O técnico não decora os diplomas: sabe a que área pertence cada situação e onde consultar a redação em vigor.

As áreas e as entidades

O Sistema de Certificação Energética (SCE)

O Decreto-Lei n.º 101-D/2020, de 7 de dezembro, transpôs para a ordem jurídica nacional a diretiva europeia sobre o desempenho energético dos edifícios e regula o SCE. Integra o que antes constava de regulamentos separados para edifícios de habitação e de comércio e serviços. O diploma tem sido alterado, por isso consulta-se sempre a redação em vigor no Diário da República eletrónico ou no portal da ADENE.

O que o técnico precisa de saber, em termos práticos:

• o desempenho energético de um edifício tem em conta os sistemas de aquecimento, arrefecimento e AQS que ele tem; a classe energética do certificado depende deles;
• os edifícios têm de cumprir requisitos mínimos para os sistemas técnicos novos ou substituídos (eficiência dos geradores, isolamento das redes, regulação), e o contributo de fontes renováveis para o AQS é considerado na avaliação;
• há regras de manutenção e inspeção de sistemas de climatização, com planos de manutenção e registos; o equipamento deve ter a documentação (manual, ficha técnica, registo de intervenções) disponível;
• o certificado energético é emitido por peritos qualificados do SCE, não pelo instalador.

Água quente sanitária e Legionella

A Legionella é uma bactéria que se multiplica em água estagnada ou tépida e causa a doença dos legionários, por inalação de gotículas (chuveiros, torres de arrefecimento). O regime legal de prevenção abrange redes de água de determinados edifícios e estabelecimentos, entre eles as redes de AQS, e define classificação de risco e medidas a tomar. O técnico deve conhecer o princípio, que é geral e consensual: evitar água estagnada, evitar troços sem circulação (os braços mortos), manter a água quente suficientemente quente nos acumuladores e na rede, a água fria fria, e fazer manutenção e limpeza dos pontos de distribuição. A classificação do risco e as medidas por nível de risco estão na Portaria n.º 25/2021; a periodicidade da monitorização e as referências de temperatura (por exemplo, AQS abaixo de 50 °C no circuito, ou de 55 °C em unidades de saúde, conta como controlo inconsistente; água fria acima de 20 °C obriga a atenção especial) estão no Despacho n.º 1547/2022. Não se decoram: consultam-se na redação em vigor.

Por outro lado, a água quente queima: a temperaturas de acumulação, uma queimadura grave leva segundos, e mesmo a temperaturas mais baixas basta menos tempo nas crianças e nos idosos. A solução técnica consiste em acumular a água quente a uma temperatura mais alta e instalar uma válvula misturadora termostática antes dos pontos de uso, que limita a temperatura da água entregue. O capítulo 10 volta a isto.

Gases fluorados e o técnico de refrigeração

Os fluidos frigorigéneos de uma bomba de calor ou de um chiller são regulados. Em termos gerais:

• só técnicos com a certificação exigida pela lei podem instalar, intervir, fazer manutenção, recuperar o fluido ou verificar fugas num circuito frigorífico;
• o fluido é recuperado e nunca libertado para a atmosfera;
• os equipamentos têm de ter chapa de características com o tipo e a carga de fluido, e há registos e controlos de fugas em função da carga;
• a classificação de segurança do fluido (inflamabilidade e toxicidade) e o seu potencial de aquecimento global (GWP) constam da ficha de segurança do fluido e da etiqueta do equipamento; consultam-se aí e na legislação em vigor, não se decoram nem se citam de memória.

Para as aulas desta unidade fica a regra: o circuito frigorífico não se abre. Observa-se, mede-se por fora (temperaturas de tubagem, correntes, pressões em equipamentos que já têm manómetro) e interpreta-se. Qualquer intervenção que corte, abra ou ligue o circuito de fluido é feita por quem tem a certificação.

Exemplo resolvido · a que regulamento pertence cada situação

Para cada situação, indica a área regulamentar a consultar.

A resposta correta nunca é "pergunto a um colega": é saber qual é o diploma, ir à fonte oficial e aplicar a redação em vigor.

4. Sistemas de arrefecimento de expansão direta

O princípio

Num sistema de expansão direta (DX), o fluido frigorigéneo evapora diretamente na bateria que arrefece o ar do espaço. Não há fluido intermédio: o ar passa pela bateria do evaporador e cede calor ao fluido. É o sistema mais simples e com menos perdas, e é limitado pela distância entre as unidades (o fluido tem de voltar ao compressor com o óleo).

4.1 Unidades autónomas

Têm todos os componentes no mesmo bloco: compressor, condensador, expansão, evaporador e ventiladores. Não há tubos de fluido a ligar na obra, o que dispensa trabalho no circuito frigorífico.

• De janela ou de parede: o bloco atravessa a parede; um lado fica no interior (evaporador) e o outro no exterior (condensador). O condensado é eliminado pela traseira.
• Portáteis: um bloco no chão com mangueira de extração do ar quente para o exterior. Muito simples, mas menos eficientes; a mangueira e o ar que entra por frestas anulam parte do efeito.
• Armários autónomos de condensação a água: usados em salas técnicas e comércio; condensam com água de um circuito ou de uma torre.

O que se mede e verifica: tensão de alimentação, corrente absorvida (comparar com a chapa), temperatura do ar à entrada e à saída da bateria interior (o diferencial típico em arrefecimento, em condições normais, é de cerca de 8 a 12 K), estado do filtro, drenagem do condensado, fuga de ar quente entre os dois lados.

4.2 Compactas ar/ar

São unidades de maior potência, em geral montadas em cobertura (rooftop) ou em casa das máquinas, que tratam o ar e o distribuem por condutas. Têm compressores (um ou vários, por estágios), condensador de ar, bateria de expansão direta, ventilador de insuflação e muitas vezes comportas de ar novo e de retorno.

Verificações de oficina: sentido de rotação dos ventiladores trifásicos (se estiver invertido o caudal é baixo e a corrente também), tensão das correias, filtros, caudal de ar (um ΔT do ar acima do normal indica pouco caudal), estado das baterias (fins amachucados), drenagem com sifão.

4.3 Split ar/ar

Duas unidades: a interior, com evaporador e ventilador, e a exterior, com compressor, condensador e válvula de expansão (ou capilar). Ligam-se por dois tubos de cobre isolados (um de líquido, mais fino, e um de aspiração, mais grosso), por um cabo de comando/alimentação e por uma tubagem de drenagem do condensado.

Verificações de funcionamento (sem abrir o circuito): (1) arrancar em arrefecimento com o ponto de regulação a 17 °C; (2) esperar 10 a 15 minutos; (3) medir a temperatura do ar à entrada e à saída da unidade interior (diferencial de 8 a 12 K indica funcionamento normal, valor muito baixo sugere capacidade frigorífica baixa, por pouco fluido ou compressor fraco; valor muito alto sugere pouco caudal de ar, por filtro sujo ou ventilador com problema, porque a mesma potência frigorífica é entregue a menos ar); (4) medir a corrente da exterior e comparar com a chapa; (5) tocar no tubo de aspiração: frio e húmido é normal; (6) verificar que o condensado sai pela drenagem; (7) limpar filtros.

4.4 Multi-split

Uma só unidade exterior alimenta duas, três, quatro ou mais interiores, de potências diferentes. Cada interior tem a sua válvula de expansão eletrónica e o seu comando. A exterior ajusta a velocidade do compressor à procura somada. Vantagem: uma só exterior à fachada. Limites: a soma das potências interiores tem um intervalo admissível em relação à exterior, e o comprimento máximo das linhas está no manual. Algumas gamas obrigam todas as interiores a trabalhar no mesmo modo (todas a aquecer ou todas a arrefecer); a prioridade de modo está definida no manual.

4.5 Tipo VRF (fluxo de refrigerante variável)

Os sistemas VRF/VRV são multi-splits de grande escala. A unidade exterior varia a velocidade do compressor (inversor) e cada interior tem uma válvula de expansão eletrónica que regula o fluxo de fluido que lhe chega, em função da carga.

Verificações no arranque (feitas por quem tem a certificação): endereçamento das unidades, carga total de fluido registada, teste de estanquidade com azoto, vácuo, ensaio automático do fabricante. Nas aulas faz-se apenas a leitura dos parâmetros no comando e a interpretação de códigos de erro.

Exemplo resolvido · escolher entre split e multi-split

Um apartamento tem uma sala (2,5 kW de carga de arrefecimento), um quarto principal (1,8 kW) e um quarto de criança (1,5 kW). Que solução escolher?

1. Soma das cargas: 2,5 + 1,8 + 1,5 = 5,8 kW.
2. Três splits individuais: três unidades exteriores à fachada; custo e impacto visual maiores, instalação independente (se um avaria, os outros continuam).
3. Um multi-split de três interiores com exterior de cerca de 6 a 7 kW: uma só exterior, menos furos e tubos, mas dependência de um único compressor.
4. Decisão: se a fachada tem pouco espaço ou o condomínio limita unidades exteriores, multi-split; se os espaços são muito afastados e o orçamento é curto, splits individuais. O técnico regista a decisão e as distâncias.

5. Sistemas de arrefecimento indiretos

O princípio

Num sistema indireto, o fluido frigorigéneo arrefece um fluido secundário (normalmente água ou água com glicol) num equipamento central, o chiller, e esse fluido é distribuído pelo edifício até unidades terminais que arrefecem o ar: fan-coils, unidades de tratamento de ar (UTA), vigas frias.

Vantagens: o fluido frigorigéneo fica todo na sala do chiller (menos carga, menos fugas, menos regulamentação em cada espaço); permite distâncias grandes; permite regulação por zona. Inconvenientes: perdas de bombagem, necessidade de isolar bem a tubagem fria (condensação) e de proteger contra o gelo.

5.1 Chillers de compressão (geradores de água arrefecida)

Um chiller é uma máquina de refrigeração compacta que contém compressor, condensador, expansão e evaporador de placas ou de feixe tubular, onde o frigorigéneo arrefece a água.

Condições nominais típicas de arrefecimento: água a 12 °C no retorno e 7 °C na ida (ΔT de 5 K). Estas condições são as mais usadas nas fichas técnicas, mas verifica-se sempre a ficha do equipamento.

Segurança do chiller: o fluxostato impede o arranque (e para o compressor) se não houver caudal de água no evaporador, para evitar o congelamento do evaporador e a rotura. O termostato antigelo protege contra temperatura de água demasiado baixa. O pressostato de alta e de baixa protegem o circuito frigorífico.

Exemplo resolvido · caudal de um chiller

Um chiller de 35 kW produz água a 7 °C e recebe-a a 12 °C. Que caudal tem de circular?

1. ΔT = 5 K.
2. V̇ = P / (0,001163 × ΔT) = 35 / (0,001163 × 5) = 35 / 0,005815 = 6 019 l/h, ou seja cerca de 6 m³/h.

Se ao medir o chiller em serviço o ΔT for de 3 K com o chiller a plena carga, o caudal é demasiado alto (a bomba sobredimensionada ou o equilíbrio errado). Se for de 9 K, o caudal é baixo (filtro sujo, ar, válvula fechada).

5.2 Sistemas a 2 tubos

Um único par de tubos, ida e retorno, serve todos os fan-coils. Em cada momento, a água que circula é fria ou quente, conforme a estação: o sistema funciona em arrefecimento no verão e em aquecimento no inverno, com mudança sazonal na central (inversão da bomba de calor ou comutação entre caldeira e chiller). Todas as zonas têm o mesmo modo ao mesmo tempo.

• Vantagem: instalação barata e simples.
• Limite: nas meias-estações, zonas diferentes podem pedir modos opostos (a zona sul quer frio, a zona norte quer calor) e o sistema não consegue servir ambos.

5.3 Sistemas a 4 tubos

Dois pares de tubos: um circuito de água fria e um circuito de água quente. Cada fan-coil tem duas baterias (ou uma bateria com válvulas de comutação), e escolhe qual usar. Permite que, no mesmo momento, uma zona arrefeça e outra aqueça. É mais caro e ocupa mais espaço, mas é o mais confortável em edifícios de escritórios e hotéis.

O fan-coil na oficina

O fan-coil é o terminal mais comum. Compõe-se de ventilador (3 velocidades ou EC), bateria de água, filtro, bandeja de condensados, válvula de 2 ou 3 vias e termóstato.

Procedimento de verificação de um fan-coil: (1) cortar a alimentação e verificar a ausência de tensão; (2) retirar e limpar o filtro; (3) limpar a bandeja e a drenagem (despejar água e ver que sai); (4) verificar a válvula e o servomotor; (5) religar, selecionar a velocidade média e o ponto de regulação 5 K abaixo da temperatura ambiente; (6) esperar 10 minutos; (7) medir o ΔT da água (ida menos retorno, 4 a 6 K em condições normais) e o ΔT do ar; (8) verificar que não há gotejamento nas tubagens ou na bandeja.

6. Sistemas de aquecimento central: alta e baixa temperatura

Do que se trata

Um sistema de aquecimento central produz calor num ponto (caldeira, bomba de calor, aquecedor elétrico, permutador) e distribui-o por água quente até os emissores. O tipo de emissor determina a temperatura de ida a que o sistema pode trabalhar.

Estes valores são típicos de dimensionamento. Em obra, o projeto indica os valores. O princípio é: quanto mais baixa a temperatura de ida, maior o rendimento de uma caldeira de condensação ou de uma bomba de calor.

6.1 Aquecimento por radiadores (alta e média temperatura)

Radiadores ligados a uma caldeira ou a uma bomba de calor com ida a 70/55 °C ou 80/60 °C. Cada radiador tem uma válvula de regulação (termostática ou manual), um detentor de equilíbrio e um purgador no ponto alto.

6.2 Piso radiante (baixa temperatura)

O piso radiante usa tubos de plástico (PEX, PE-RT ou multicamada, em geral de 16 ou 17 mm), embebidos na betonilha sobre isolamento, por onde circula água a 30 a 45 °C. O pavimento aquece a baixa temperatura (a temperatura superficial máxima em zonas de permanência é limitada pelo projeto e pelo fabricante; em regra anda perto de 29 °C) e emite calor por radiação e convecção suave.

Procedimento de arranque de um piso radiante:

1. Teste de pressão com água antes de a betonilha ser vertida (em regra a pressão indicada pelo fabricante, mantida durante o tempo prescrito) e mantida enquanto a betonilha é vertida.
2. Esperar a cura da betonilha pelo prazo do fabricante.
3. Aquecimento progressivo ("aquecimento funcional"): começar com uma temperatura de ida baixa (cerca de 20 a 25 °C), mantê-la alguns dias, subir por degraus e atingir o valor máximo de projeto, mantendo-o o tempo previsto; sem saltos bruscos, porque a betonilha fendilha.
4. Purgar cada circuito e equilibrar com os caudalímetros do coletor.

Exemplo resolvido · caudal por circuito de piso radiante

Uma sala tem uma carga de aquecimento de 1,4 kW servida por um circuito de piso radiante, com ΔT de 6 K (ida 38 °C, retorno 32 °C). Que caudal deve mostrar o caudalímetro do coletor?

1. V̇ = P / (0,001163 × ΔT) = 1,4 / (0,001163 × 6) = 1,4 / 0,006978.
2. V̇ = 200,6 l/h, cerca de 3,3 l/min.
3. Ajusta-se a válvula do coletor até o flutuador marcar 3,3 l/min.

Comparação entre alta e baixa temperatura

7. Equipamentos e componentes do aquecimento central

Cada componente tem uma função, uma forma de ser lido ou testado e um modo de falhar. Segue-se a lista do referencial, com a oficina em cada um.

7.1 Caldeira

Gera calor por combustão (gás, gasóleo, biomassa) ou resistência elétrica. A caldeira de condensação aproveita o calor latente do vapor de água dos gases de combustão: só condensa se a temperatura de retorno for suficientemente baixa (para gás natural, em regra abaixo de cerca de 55 °C). Acima disso funciona como uma caldeira convencional.

A análise de combustão e o ajuste do queimador são feitos por técnico credenciado. Nas aulas lê-se o ecrã da caldeira e interpretam-se os valores.

7.2 Radiadores

Os radiadores (de aço, alumínio, ferro fundido) são dimensionados para uma potência a um regime de temperatura (por exemplo 70/50/20 °C: ida/retorno/ambiente). Se se baixar a temperatura de ida, a potência do radiador cai mais do que proporcionalmente, por isso a conversão para baixa temperatura exige emissores maiores.

Purgar um radiador: (1) desligar a bomba e esperar que a água pare; (2) abrir o purgador no ponto alto com a chave, com um pano por baixo; (3) deixar sair o ar até sair um fio contínuo de água; (4) fechar; (5) repor a pressão do circuito na caldeira; (6) religar e verificar que o radiador aquece por igual de cima a baixo.

7.3 Coletores

O coletor de distribuição divide o caudal por vários circuitos (radiadores ou piso radiante). Tem válvulas de corte, termómetros ou caudalímetros por circuito, purgador no topo e dreno na base. O técnico regula o caudal por circuito e verifica ausência de fugas.

Procedimento de equilíbrio por coletor: (1) calcular o caudal de cada circuito com V̇ = P / (0,001163 × ΔT); (2) abrir todos os caudalímetros e pôr a bomba na velocidade de projeto; (3) ajustar circuito a circuito, começando pelo mais desfavorecido e acabando no mais próximo da bomba; (4) dar uma segunda volta, porque cada ajuste altera os outros, e registar a posição final de cada válvula na ficha de colocação em serviço.

7.4 Termoacumulador

Reservatório isolado onde a água de AQS é aquecida e guardada. Os principais tipos são abordados no capítulo 11. Elementos: resistência elétrica ou serpentina, ânodo de magnésio, termóstato, grupo de segurança (válvula de segurança e válvula de retenção), isolamento.

7.5 Bombas de circulação

Já vistas no capítulo 2. Verificam-se: sentido do fluxo (seta no corpo), posição do veio na horizontal, purga do rotor (parafuso central), velocidade selecionada, ruído, pressão diferencial, consumo. Nunca trabalham em seco.

7.6 Válvulas

7.7 Termostatos

Dispositivos que ligam ou desligam um circuito ou um equipamento em função de uma temperatura.

• Termostato de ambiente: liga o aquecimento quando a temperatura da divisão desce abaixo do ponto de regulação menos metade do diferencial.
• Termostato de segurança (de contacto ou de imersão): corta o gerador se a temperatura de água excede o limite.
• Termostato de arranque da bomba (de contacto): arranca a bomba quando a tubagem aquece.
• Termostato antigelo: liga ou protege abaixo de uma temperatura mínima.

7.8 Fluxostatos

Contacto elétrico acionado por uma palheta que o caudal empurra. Garantem que há circulação antes de permitir o funcionamento do gerador (caldeira elétrica, chiller, bomba de calor ar/água). Teste: com o circuito em segurança, desligar a bomba e verificar que o contacto abre e a máquina para. Causas de falha: sujidade na palheta, ajuste de sensibilidade, ar no circuito.

7.9 Pressostatos

Interruptores acionados por pressão. Em circuitos de água, o pressostato de pressão mínima impede a caldeira de funcionar com pouca água. Nos circuitos frigoríficos, os pressostatos de alta (corta o compressor se a pressão de descarga for excessiva) e de baixa (corta se a aspiração for demasiado baixa) são dispositivos de segurança que só quem tem a certificação ajusta. O pressostato testa-se por simulação de pressão ou pela leitura do código de erro.

7.10 Vaso de expansão

Reservatório com membrana: de um lado a água do circuito, do outro azoto ou ar pré-comprimido. Absorve o aumento de volume da água quando aquece e devolve-o quando arrefece, mantendo a pressão do circuito dentro de limites.

Como verificar a pré-carga do vaso:

1. Isolar o vaso do circuito (fechar a válvula de corte, se existir), com a instalação fria e o gerador desligado, e descarregar a água do lado da água do vaso até a pressão ser zero (o manómetro do circuito pode ficar a zero depois de isolar o vaso e abrir um dreno).
2. Na válvula de ar (tipo Schrader) do vaso, ligar um manómetro de ar (como o de pneus, com resolução de 0,1 bar).
3. Ler a pré-carga. Deve coincidir com o valor da chapa do vaso, em regra o valor de fábrica (por exemplo 1,0 bar para o vaso de pequena caldeira doméstica) ou o calculado pela altura estática.
4. Se estiver baixa, encher com ar (bomba de pneus) ou azoto; se estiver alta, soltar um pouco.
5. Fechar a válvula de ar com a tampa, reabrir a válvula de corte do vaso e repor a pressão do circuito.

Valor de referência para a pré-carga quando o manual não diz: aproximadamente a pressão estática no vaso (altura da instalação acima do vaso em metros dividida por 10) mais 0,2 a 0,3 bar, e a pressão de enchimento a frio cerca de 0,2 a 0,3 bar acima da pré-carga. O manual da caldeira prevalece.

Sintomas de um vaso com problema: pressão a subir muito quando aquece e a válvula de segurança a descarregar; pressão a descer a frio sem fuga aparente; água a sair pela válvula de ar do vaso (membrana rota).

Exemplo resolvido · dimensionar um vaso de expansão

Uma instalação tem 150 litros de água, enche a frio a 1,3 bar, funciona até 80 °C, a válvula de segurança está tarada a 3 bar, e o vaso tem pré-carga de 1,0 bar. Que volume mínimo de vaso é necessário?

1. Aumento de volume da água de 20 a 80 °C: a densidade passa de 998,2 a 971,8 kg/m³, ou seja uma expansão de cerca de 2,7%.
2. ΔV = 150 × 0,027 = 4,05 l.
3. Pressões absolutas: pré-carga Pi = 1,0 + 1,013 ≈ 2,0 bar (abs); pressão final máxima Pf = 3 bar - 0,5 bar (margem para abertura da válvula) = 2,5 bar (relativa) = 3,5 bar (abs).
4. O vaso útil é V = ΔV / (1 - Pi/Pf) = 4,05 / (1 - 2,0/3,5) = 4,05 / 0,4286 = 9,45 l.
5. Escolhe-se o vaso comercial imediatamente acima, por exemplo 12 litros.

(A pressão de enchimento a frio de 1,3 bar fica acima da pré-carga de 1,0 bar, o que mantém a membrana encostada à água ao frio.)

7.11 Equipamento de medição e regulação

8. Distribuição e emissão de calor nos espaços

Distribuição

A distribuição liga o gerador aos emissores.

Tubagem: cobre, aço, multicamada, PEX. Todos os troços de ida e retorno que passam por zonas não aquecidas levam isolamento térmico, com espessura conforme a regulamentação e o diâmetro do tubo.

Emissão

Fatores que afetam a emissão: tapar o radiador com cortinas ou móveis, pintar com tinta metalizada, sujidade interior (lamas), ar na parte superior, caudal baixo. Um radiador "frio em cima e quente em baixo" tem ar; "quente em cima e frio em baixo" tem lamas.

9. Fatores que influenciam o rendimento do aquecimento central

O rendimento global de uma instalação não é o do gerador: é o de gerador, distribuição, emissão e regulação em conjunto.

Exemplo resolvido · efeito da temperatura de retorno

Uma caldeira de condensação foi instalada com radiadores 80/60 °C (retorno 60 °C). O cliente queixa-se de gastar tanto como antes. O que verificar?

1. Retorno de 60 °C está acima do ponto de orvalho dos gases (cerca de 55 °C), logo a caldeira quase nunca condensa.
2. Medir ida e retorno com o termómetro de contacto e confirmar.
3. Soluções: ativar a curva climática com sonda exterior para baixar a ida nos dias amenos; equilibrar os radiadores para baixar o retorno; se possível, substituir os radiadores pequenos por maiores que funcionem a 60/45 °C.
4. Resultado esperado: retorno abaixo de 55 °C na maior parte da estação e rendimento mais próximo do nominal de condensação.

10. Preparação de AQS: requisitos, energia útil e acumulação

Requisitos de um sistema de AQS

A água quente sanitária é a água potável aquecida para duche, lavatório, cozinha e limpeza. Um sistema de AQS tem de cumprir quatro grupos de requisitos.

Os valores regulamentares (por exemplo temperaturas mínimas de acumulação ou o contributo mínimo de renováveis) estão nos diplomas e portarias na redação em vigor e consultam-se na fonte oficial.

Cálculo da energia útil necessária

A energia útil para aquecer uma massa de água é a conhecida Q = m × c × ΔT. Para uma habitação, o cálculo faz-se com um consumo diário de referência por ocupante, uma temperatura de armazenamento e a temperatura da água fria da rede.

Neste manual usa-se, para exemplos, um consumo de 40 litros por pessoa e por dia a 60 °C, e água fria da rede a 15 °C. No projeto real, usa-se o valor e o método da regulamentação em vigor.

Exemplo resolvido · energia diária de uma habitação

Uma família de 4 pessoas. Qual a energia útil diária para AQS?

1. Volume diário a 60 °C: 4 × 40 = 160 l, ou seja 160 kg.
2. ΔT = 60 - 15 = 45 K.
3. Q = 160 × 4,18 × 45 = 30 096 kJ.
4. Em kWh: 30 096 / 3 600 = 8,36 kWh/dia.
5. Por ano: 8,36 × 365 = 3 051 kWh/ano de energia útil, antes das perdas do acumulador e da rede.

Determinação de necessidades de acumulação

A acumulação serve para desfasar a produção do consumo: o gerador trabalha devagar, o consumo de ponta (de manhã e à noite) é intenso. O volume de acumulação depende do consumo de ponta, da potência do gerador e do tempo de reposição.

Exemplo resolvido · volume do acumulador

Na habitação do exemplo anterior (160 l/dia a 60 °C), o acumulador de 200 l fica a trabalhar a 60 °C. A água de duche é misturada a 40 °C com água fria a 15 °C. Quanta água a 40 °C fornece um acumulador de 200 l a 60 °C?

1. Fração de água quente na mistura: (40 - 15) / (60 - 15) = 25 / 45 = 0,556.
2. Cada litro a 40 °C usa 0,556 l de água do acumulador.
3. 200 l a 60 °C fornecem 200 / 0,556 = 360 l de água a 40 °C, sem contar com a reposição.
4. Para 4 duches de 60 l cada (240 l a 40 °C), o consumo do acumulador é de 240 × 0,556 = 133 l, que cabe no acumulador de 200 l.

11. Sistemas de produção de AQS

11.1 Sistemas instantâneos

Aquecem a água no momento do uso, sem acumulação (ou com acumulação mínima). A água fria passa por um permutador aquecido pela chama ou pela resistência e sai quente.

Esquentador a gás. Liga-se quando abre a água quente (sensor de caudal) e a chama acende. A potência necessária depende do caudal e do ΔT.

Exemplo resolvido · potência de um esquentador

Um duche exige 8 l/min de água a 45 °C, com água fria a 15 °C. Que potência útil é necessária?

1. Caudal: 8 l/min = 480 l/h.
2. ΔT = 45 - 15 = 30 K.
3. P = 0,001163 × 480 × 30 = 16,75 kW de potência útil.
4. Um esquentador de "11 l/min" (aproximadamente 19 a 20 kW de potência nominal) satisfaz a necessidade; um de 6 l/min não.

Caldeira de aquecimento de águas diretas (caldeira mista). A mesma caldeira do aquecimento produz AQS instantânea através de um permutador de placas. A válvula desviadora dá prioridade à AQS. Requer caudal mínimo para arrancar e dá "bolsas" de água fria entre duches curtos.

Vantagens dos instantâneos: pouco espaço, sem perdas de armazenamento. Limites: caudal limitado pela potência, resposta lenta, dificuldade em servir vários pontos ao mesmo tempo.

Verificações de oficina: pressão e caudal de água fria à entrada, estado do filtro, temperatura de saída, a descarga dos gases (só por técnico credenciado).

11.2 Sistemas de acumulação

Aquecem a água e guardam-na num depósito isolado.

Termoacumulador elétrico, componente a componente

Instalação e manutenção na oficina:

1. A válvula de segurança na entrada de água fria tem de ter descarga encanada para um ralo, com sifão aberto, sem torneira nem restrição. Pinga ao aquecer: é normal, devido à expansão.
2. Instalar acumulador num local com suporte que aguente o peso cheio.
3. Encher primeiro, ligar depois: abrir a água, abrir uma torneira de água quente até sair água sem ar e só então ligar a resistência. Ligar uma resistência sem água destrói-a.
4. Verificar a temperatura de acumulação com termómetro de contacto no tubo de saída ao fim de 2 horas, e comparar com o valor regulado no termóstato e com o indicado no manual do aparelho; a temperatura mínima de armazenamento, quando aplicável, consulta-se na regulamentação em vigor.
5. Inspecionar o ânodo periodicamente (em regra a cada 2 a 3 anos, conforme o fabricante e a dureza da água) e drenar o fundo para tirar calcário.

Bombas de calor AQS

Compactas: um acumulador com uma bomba de calor no topo. Retiram calor do ar (do local, do exterior por conduta ou de ar de extração), e transferem-no para a água. O COP de uma bomba de calor AQS é a relação entre a energia térmica entregue e a energia elétrica consumida. Para as condições do exemplo de 10,45 kWh que vimos no capítulo 1, com um COP de 3, o consumo elétrico é 10,45 / 3 = 3,5 kWh, contra 10,45 kWh de uma resistência.

Cuidados: a bomba de calor AQS arrefece o ar do local onde está; precisa de volume de ar suficiente ou de condutas; tem drenagem do condensado; para altas temperaturas (por exemplo ciclos anti-Legionella) recorre à resistência de apoio.

12. Sistemas solares térmicos

Princípio

Os coletores solares térmicos captam a radiação do sol e aquecem um fluido que transfere o calor para o acumulador de AQS. Contribuem para a produção de AQS, reduzindo o consumo de energia do sistema de apoio (resistência, caldeira, bomba de calor). O contributo de energia renovável para a AQS é considerado na regulamentação de desempenho energético dos edifícios, nas condições da redação em vigor.

Componentes

Circulação forçada e termossifão

• Termossifão: sem bomba; a água quente sobe naturalmente do coletor para um acumulador acima dele. Simples e robusto, usa-se em sistemas compactos de cobertura.
• Circulação forçada: bomba e controlador, acumulador em qualquer local. Permite ligar à rede de AQS de um edifício.

Regulação diferencial

O controlador mede a temperatura do coletor (Tc) e a do acumulador (Ta). Liga a bomba quando Tc - Ta ultrapassa um valor de ligação (em regra de 6 a 8 K) e desliga quando desce abaixo de um valor de desligação (cerca de 3 a 4 K). Há também uma temperatura máxima do acumulador, para evitar sobreaquecimento.

Estagnação e proteção

Num dia de sol, sem consumo e com o acumulador cheio, a bomba pára e o fluido no coletor atinge temperaturas muito altas e evapora: é a estagnação. O sistema deve ser dimensionado para aguentar isso: vaso de expansão com volume suficiente para a vaporização, glicol próprio para altas temperaturas, válvula de segurança com descarga encanada. No inverno, o glicol protege contra o gelo.

Exemplo resolvido · poupança estimada

Para a habitação de 4 pessoas (3 051 kWh/ano de energia útil, capítulo 10), um sistema solar bem dimensionado que cubra 60% da necessidade evita:

1. 3 051 × 0,60 = 1 831 kWh/ano fornecidos pelo sol.
2. Ao preço de 0,20 €/kWh do apoio elétrico: 1 831 × 0,20 = 366 €/ano.

(Os 60% são exemplo de cálculo; a fração solar de um projeto resulta de simulação, que depende de localização, orientação e inclinação.)

Verificação na oficina: (1) com o sol e o acumulador frio, verificar a bomba a arrancar; (2) comparar a temperatura de ida e retorno do coletor: o ΔT típico em funcionamento é de 8 a 15 K, para os caudais habituais de 30 a 50 l/(h·m²) de coletor; (3) verificar a pressão do circuito; (4) verificar a pré-carga do vaso; (5) verificar a misturadora termostática no ponto de uso.

13. Fluidos térmicos

Um fluido térmico é qualquer fluido usado para transportar ou transformar calor num sistema. Distinguem-se os fluidos secundários (água, água glicolada), que transportam calor sem mudar de estado, e os fluidos frigorigéneos, que mudam de estado no ciclo de compressão de vapor.

A água

Barata, não tóxica, calor específico elevado. Limitações: congela a 0 °C (e dilata ao congelar, rompendo tubos e permutadores), é corrosiva se tiver oxigénio dissolvido e deposita calcário se for dura.

Tratamento de circuitos fechados: encher com água de qualidade, em regra com inibidor de corrosão, e evitar entradas de ar. Em muitas regiões convém verificar a dureza da água antes de a pôr num circuito que trabalha a alta temperatura.

Água glicolada

Mistura de água com etilenoglicol ou propilenoglicol (mais seguro em aplicações em contacto com água potável), para baixar o ponto de congelação.

(Valores aproximados, para concentrações em volume; seguir a ficha do fabricante do glicol, que também indica o inibidor e a temperatura máxima.)

Margem e limites da mistura: escolhe-se uma concentração cujo ponto de congelação fique com margem de segurança abaixo da temperatura mínima prevista no local, conforme a ficha técnica do fluido (o refratómetro lê o ponto de primeiros cristais, e os fluidos pré-misturados têm tolerância própria). Alguns fluidos solares não admitem diluição abaixo de 40% em volume; confirma-se na ficha do fabricante.

O glicol penaliza o circuito: menor calor específico, maior densidade e maior viscosidade. Em consequência, para a mesma potência exige mais caudal e mais potência de bombagem, e a perda de carga cresce, sobretudo a baixas temperaturas. O sistema tem de ser dimensionado para a mistura.

Medir a concentração: com um refratómetro de glicol (gota no vidro, leitura na escala) ou um densímetro. O ponto de congelação lê-se diretamente na escala do refratómetro, e o que se lê é o ponto de primeiros cristais, isto é, a temperatura a que começam a aparecer os primeiros cristais de gelo, não a de congelação total da mistura.

Exemplo resolvido · efeito do glicol no caudal

Um chiller de 35 kW com água a 7/12 °C precisa de 6 019 l/h (capítulo 5). Com 30% de propilenoglicol em volume, o calor específico baixa cerca de 8% (aprox. 3,85 kJ/kg·K). Que caudal passa a ser preciso, aproximadamente?

1. O caudal necessário é inversamente proporcional ao calor específico (e à densidade, que sobe ligeiramente).
2. 6 019 × (4,18 / 3,85) ≈ 6 019 × 1,086 = 6 535 l/h, cerca de 9% a mais, desprezando a diferença de densidade.
3. A bomba tem de ser verificada para esse caudal e para a perda de carga maior da mistura.

Para um fluido que não é água, a potência calcula-se com a densidade e o calor específico da mistura: P (kW) = V̇ (l/h) × ρ (kg/l) × c (kJ/kg·K) × ΔT (K) / 3 600. Com 300 l/h de uma mistura com ρ = 1,03 kg/l e c = 3,70 kJ/kg·K e ΔT de 12 K: P = 300 × 1,03 × 3,70 × 12 / 3 600 = 3,81 kW, contra 4,18 kW do mesmo caudal de água pura.

Fluidos frigorigéneos

São o fluido do ciclo de compressão de vapor. Nas bombas de calor, nos chillers e nos splits, o frigorigéneo evapora a baixa pressão (absorvendo calor) e condensa a alta pressão (libertando-o). Características desejáveis: boa transferência de calor, pressões de trabalho moderadas, compatibilidade com o óleo e os materiais, segurança e baixo impacto ambiental.

• Cada fluido tem uma designação (a letra R seguida de número), uma classe de segurança (toxicidade e inflamabilidade) e um potencial de aquecimento global (GWP). Estes dados estão na chapa do equipamento, no recipiente do fluido e na ficha de segurança. Não se misturam fluidos e não se completa uma carga com um fluido diferente do da chapa.
• Os fluidos de baixo GWP em uso crescente são, em regra, inflamáveis em algum grau, o que obriga a regras de instalação, carga máxima por espaço, ventilação e cuidados com fontes de ignição, definidas na norma de segurança e na regulamentação em vigor.
• Tubos e peças em circuitos de frigorigéneo seguem as especificações do fabricante (cobre de qualidade frigorífica desidratado, pressão máxima).

Outros fluidos

14. Regulação e controlo

Para que serve

A regulação mantém uma grandeza (temperatura ambiente, temperatura de ida, caudal) próxima de um valor pretendido. O controlo automatiza a operação: horários, prioridades, proteções. Um bom sistema regulado gasta menos energia e dá mais conforto.

Tipos de ação

Termostato de ambiente: como se afina

O termostato mede a temperatura ambiente e compara-a com o ponto de regulação.

Histerese (diferencial). Um termostato on/off com ponto de regulação a 21 °C e diferencial de 1 K liga a 20,5 °C e desliga a 21,5 °C. Diferencial demasiado estreito produz ciclos curtos, demasiado largo produz variações sentidas.

Procedimento de afinação e verificação:

1. Localização: parede interior, a 1,5 m do chão, longe de janelas, radiadores, luz solar e correntes de ar. Uma má localização é a causa de metade das queixas.
2. Ponto de regulação: colocar a 20 °C como valor de referência e não a 25 °C "para aquecer mais depressa" (o aquecimento não é mais rápido, só passa a temperatura desejada).
3. Verificar a leitura com um termómetro de referência colocado ao lado do sensor durante 15 minutos; se diferir mais de 0,5 K, aplicar a correção (offset) prevista no menu.
4. Programação: definir períodos (conforto e redução), com redução de cerca de 3 a 4 K à noite e quando não há ninguém.
5. Ensaio: subir o ponto de regulação e ver o contacto fechar; baixá-lo e ver abrir.

Válvulas termostáticas de radiador

A cabeça termostática (com elemento de cera ou líquido) fecha a válvula quando a temperatura ambiente sobe. Os números da cabeça correspondem a temperaturas ambiente aproximadas (a posição intermédia anda em regra à volta de 20 °C, mas varia por fabricante). Instala-se na horizontal, longe de corrente de ar, e nunca num radiador onde o termostato de ambiente já comanda a caldeira sem uma válvula de bypass ou de pressão diferencial.

Curva de aquecimento (regulação climática)

A curva de aquecimento relaciona a temperatura de ida com a temperatura exterior: quanto mais frio lá fora, mais quente a água de ida. É definida por dois parâmetros principais:

• o declive (ou "inclinação"): quantos kelvin sobe a ida por cada kelvin que o exterior desce;
• o deslocamento paralelo (ou "offset"): sobe ou desce a curva toda.

A diferença prática está em onde cada um atua. Como a curva roda em torno do ponto de 20 °C exterior (onde a ida é a mínima), mudar o declive altera sobretudo a ida nos dias muito frios e quase nada nos dias amenos. Mudar o paralelo soma ou subtrai os mesmos kelvin à ida em todas as temperaturas exteriores.

Exemplo resolvido · construir uma curva e afiná-la

Num piso radiante pretende-se ida de 25 °C com exterior a 20 °C e 50 °C com exterior a -5 °C (aproximação linear).

1. Declive: (50 - 25) / (20 - (-5)) = 25 / 25 = 1 K por K.
2. Para exterior a 5 °C: ida = 25 + (20 - 5) × 1 = 40 °C.
3. Para exterior a 12 °C: ida = 25 + (20 - 12) × 1 = 33 °C.

Afinação na prática (os efeitos só se veem em dias, por inércia do piso, por isso muda-se um parâmetro de cada vez e espera-se 24 a 48 horas):

Proteções e segurança

Controlo em sistemas de arrefecimento

Em chillers e fan-coils: setpoint de água arrefecida (7 °C ou, com compensação, mais alto com menos carga), controlo de capacidade do compressor (por estágios ou inversor), válvulas de duas ou três vias nos fan-coils, termóstato de ambiente com velocidades do ventilador. Em VRF e multi-split, o controlo faz-se por comando individual, comando central e supervisão (BMS), com horários e limites de setpoint.

15. O ciclo de compressão de vapor e a bomba de calor com inversão de ciclo

O ciclo básico

O ciclo de refrigeração por compressão de vapor tem quatro componentes principais e quatro transformações.

O fluido absorve calor onde o ciclo o evapora e liberta-o onde o ciclo o condensa. Num aparelho de arrefecimento, interessa o evaporador (que arrefece o espaço) e o calor é rejeitado no condensador, no exterior. Numa bomba de calor, interessa o condensador (que aquece o espaço) e o evaporador retira calor ao ar exterior, à água ou ao solo.

Sobreaquecimento e subarrefecimento

• Sobreaquecimento = temperatura medida no tubo de aspiração menos a temperatura de evaporação (lida na escala do manómetro de baixa pressão). Valores típicos de funcionamento: 5 a 8 K, mas o manual manda.
• Subarrefecimento = temperatura de condensação (lida no manómetro de alta) menos a temperatura medida no tubo de líquido. Valores típicos: 4 a 8 K.

Estas medições fazem-se com manómetros de refrigeração e pinças de temperatura e só por técnico certificado. Nas aulas, interpretam-se tabelas de valores medidos pelo professor.

O COP

O COP (coeficiente de desempenho) de uma bomba de calor em aquecimento é a relação entre o calor entregue e a energia elétrica consumida: COP = Q útil / W elétrico. Um COP de 4 significa que por cada 1 kWh elétrico se entregam 4 kWh de calor, 3 dos quais vêm do ambiente exterior. O COP baixa quando a diferença entre a temperatura de origem e a de destino aumenta: uma bomba ar/água entrega mais eficientemente a 35 °C (piso radiante) do que a 55 °C (radiadores) e quando o exterior está a 7 °C do que a -5 °C.

Inversão de ciclo: a válvula de 4 vias

Uma bomba de calor reversível pode trabalhar em arrefecimento ou em aquecimento porque tem uma válvula de 4 vias que troca as funções das duas baterias. O fluido circula no mesmo sentido pelo compressor (sempre aspira pelo mesmo tubo e descarrega pelo outro); o que se inverte é o sentido do fluido nas baterias interior e exterior.

A válvula tem quatro ligações:

• D: descarga do compressor (sempre vapor quente, alta pressão);
• S: aspiração do compressor (sempre vapor frio, baixa pressão);
• E: bateria interior;
• C: bateria exterior.

(Algumas marcações usam outras letras; a lógica é a mesma, o manual do fabricante identifica as ligações.)

Dentro da válvula há um êmbolo deslizante que liga D a uma das baterias e liga a outra a S. É deslocado pela diferença de pressão, comandada por uma pequena válvula piloto com bobina. Em alguns fabricantes a bobina está alimentada em aquecimento, noutros em arrefecimento; vê-se no esquema elétrico do aparelho.

Verificação da válvula de 4 vias (por fora)

1. Com o aparelho em arrefecimento: o tubo D (descarga) está quente, o tubo S (aspiração) está frio, a bateria interior fria, a exterior quente.
2. Mudar para aquecimento: ouve-se uma "pancada" suave (o êmbolo desloca-se) e os papéis trocam-se; a interior aquece e a exterior fica fria.
3. Defeitos típicos:
4. bobina sem tensão (medir com multímetro, verificar a ligação): a válvula não muda;
5. êmbolo preso a meio: as duas baterias ficam mornas, o aparelho rende pouco nos dois modos;
6. passagem interna (fuga entre D e S): o tubo S está mais quente do que devia, o rendimento cai; o corpo da válvula fica com temperatura demasiado uniforme.
7. A substituição de uma válvula de 4 vias é uma intervenção no circuito frigorífico, feita por quem tem a certificação.

Degelo

Em aquecimento com ar exterior frio e húmido, o evaporador (exterior) forma gelo, que reduz o caudal de ar e o rendimento. O aparelho faz um degelo: inverte o ciclo para modo de arrefecimento durante alguns minutos, enviando gás quente ao exterior, e para o ventilador interior (ou usa resistência de apoio) para não soprar ar frio. É normal ver vapor sair da unidade exterior e ouvir a válvula; o condensado resultante tem de ter drenagem que não congele.

Exemplo resolvido · COP e poupança

Uma bomba de calor entrega 12 kWh de calor durante uma hora, consumindo 3 kWh elétricos. Qual o COP e quanto calor vem do exterior?

1. COP = 12 / 3 = 4.
2. Calor retirado do ambiente exterior = 12 - 3 = 9 kWh (em termos de balanço ideal).
3. Uma resistência elétrica para entregar os mesmos 12 kWh consumiria 12 kWh, o quádruplo.

16. Procedimentos de oficina: encher, purgar, ensaiar e entregar

Este capítulo reúne a sequência de trabalho que o técnico segue num circuito hidráulico de aquecimento ou arrefecimento, com os critérios de aceitação.

16.1 Antes de começar

1. Ler o esquema e o manual do equipamento.
2. Desligar, bloquear e sinalizar a alimentação elétrica; verificar ausência de tensão.
3. Equipamento de proteção individual: luvas, óculos, calçado de segurança; luvas térmicas para trabalhos com água quente.
4. Material à mão: mangueiras, chaves, manómetro, termómetros, purgador, balde, panos, multímetro.

16.2 Lavagem, enchimento e purga

1. Fechar o dreno do ponto baixo e a válvula de enchimento, e confirmar que as válvulas de corte dos ramais estão abertas.
2. Lavar o circuito novo com água para retirar fluxo de soldadura, limalhas e sujidade (em instalações antigas, pode ser necessária uma lavagem química).
3. Encher lentamente pela torneira de enchimento ao ponto mais baixo, com os purgadores dos pontos altos abertos.
4. Purgar cada ponto alto (radiadores, coletores, bombas) por ordem do mais baixo para o mais alto, até sair um fio contínuo de água.
5. Subir a pressão ao valor de enchimento a frio (por exemplo 1,3 bar numa habitação, conforme o manual).
6. Ligar a bomba em baixa velocidade, purgar de novo (a circulação arrasta bolhas), e repor a pressão.
7. Aquecer o circuito até à temperatura de serviço, purgar quando estiver quente e repor a pressão de novo.

16.3 Ensaio de estanquidade

1. Com o circuito cheio e purgado, fechar a válvula de enchimento.
2. Subir a pressão ao valor de ensaio definido no projeto ou no manual (acima da pressão de serviço, sempre abaixo da pressão máxima do componente mais fraco, nomeadamente da válvula de segurança e dos radiadores).
3. Manter durante o tempo prescrito (o projeto indica; um ensaio de verificação rápida faz-se durante 30 minutos a 1 hora).
4. Critério de aceitação: nenhuma queda de pressão que não seja explicável por variação de temperatura, e nenhuma fuga visível.
5. Baixar a pressão ao valor de serviço, registar.

16.4 Colocação em serviço e medições

16.5 Entrega ao cliente

1. Explicar o uso do termostato, da programação e da pressão a frio.
2. Entregar manual e esquema.
3. Registar na ficha de colocação em serviço os valores medidos, a data e o nome de quem interveio.
4. Indicar a manutenção periódica necessária e o contacto do técnico.

Exemplo resolvido · diagnóstico "o radiador de cima está frio"

O radiador do 1.º andar fica frio na parte de cima e quente em baixo; o do rés-do-chão aquece. O que fazer?

1. Sintoma "frio em cima, quente em baixo" indica ar.
2. Purgar o radiador (7.2), repondo depois a pressão na caldeira.
3. Se o ar voltar em poucos dias, há entrada de ar no circuito: pré-carga do vaso errada, pressão a frio demasiado baixa, purgador automático com fuga, bomba aspirando ar; verificar cada um.
4. Se purgado e com pressão certa continua frio, verificar a válvula do radiador (cabeça presa, detentor fechado) e o equilíbrio do ramal.

17. Complementaridade entre sistemas de aquecimento

Nenhum sistema resolve tudo. Os sistemas de aquecimento e de AQS combinam-se para tirar partido do melhor de cada um.

Exemplo resolvido · escolher o apoio para uma moradia

Uma moradia nova tem piso radiante, 4 pessoas e telhado orientado a sul. Propõe-se uma bomba de calor ar/água com acumulador de AQS. Que complementos poderiam fazer sentido?

1. Solar térmico de 2 coletores para AQS, que reduz o tempo em que a bomba de calor aquece o acumulador (reduz o consumo elétrico em cerca de metade na estação quente, segundo a fração solar do projeto).
2. Resistência de apoio de poucos kW no acumulador, para ciclos de desinfeção térmica e picos.
3. Lareira ou recuperador opcional como reforço nos dias muito frios, com o seu circuito separado ou integrado por um acumulador-tampão.
4. Regulação: sonda exterior e curva climática com ida baixa (35 a 40 °C) para manter o COP elevado.

A regra é usar a fonte mais eficiente primeiro e a mais potente só quando for preciso, com a regulação a decidir a prioridade.

Erros comuns

• Confundir calor com temperatura.
• Usar °C em vez de K nas diferenças de temperatura, ou misturar kW com kWh.
• Não purgar depois de encher, ou purgar só uma vez e não repetir com o circuito quente.
• Encher o circuito sem lavar e deixar fluxo de soldadura e limalhas.
• Não verificar a pré-carga do vaso de expansão ao instalar, ou medi-la com a água do vaso ainda pressurizada.
• Ligar a resistência de um termoacumulador antes de o encher.
• Bloquear ou restringir a descarga da válvula de segurança.
• Pôr radiadores a trabalhar com retorno alto numa caldeira de condensação e esperar poupança.
• Pôr o termostato junto a uma janela, um radiador ou à luz do sol.
• Subir o ponto de regulação do termostato "para aquecer mais depressa".
• Alterar vários parâmetros da curva de aquecimento de uma vez, sem esperar 24 a 48 horas.
• Medir temperaturas de tubo sem limpar a superfície e sem isolar a sonda.
• Esquecer que o glicol muda o caudal e a perda de carga e dimensionar a bomba para água pura.
• Ligar um chiller sem caudal de água (sem testar o fluxostato).
• Isolar mal a tubagem de água fria e ter condensação.
• Misturar fluidos frigorigéneos ou carregar um fluido que não é o da chapa.
• Abrir um circuito frigorífico sem certificação.
• Confundir os dois sentidos da válvula de 4 vias: a descarga do compressor vai sempre para o condensador do modo, seja o exterior (arrefecimento) ou o interior (aquecimento).
• Medir ou citar de memória temperaturas e prazos legais de AQS e de Legionella em vez de consultar a portaria e o despacho em vigor.
• Não desligar, bloquear e verificar a ausência de tensão antes de intervir.

Glossário

• AQS: água quente sanitária, água potável aquecida para uso doméstico e comercial.
• Altura manométrica: pressão fornecida por uma bomba, expressa em metros de coluna de água.
• Bomba de calor: equipamento que transfere calor de uma fonte fria para um destino quente com um ciclo de compressão de vapor.
• Calor latente: calor trocado durante uma mudança de estado, sem variação de temperatura.
• Calor sensível: calor trocado com variação de temperatura.
• Caudal: volume de fluido que passa numa secção por unidade de tempo.
• Chiller: gerador de água arrefecida por compressão de vapor.
• COP: coeficiente de desempenho, relação entre o calor útil entregue e a energia elétrica consumida.
• Curva de aquecimento: relação entre a temperatura de ida e a temperatura exterior.
• Degelo: inversão temporária do ciclo para eliminar o gelo da bateria exterior.
• Detentor: válvula de regulação de caudal de um radiador.
• Expansão direta: sistema em que o fluido frigorigéneo arrefece diretamente o ar do espaço.
• Fan-coil: ventiloconvector, terminal com bateria de água e ventilador.
• Fluxostato: interruptor acionado pelo caudal de um fluido.
• GWP: potencial de aquecimento global de um gás.
• Histerese: diferencial entre a temperatura de ligação e de desligação de um termostato.
• Perda de carga: pressão perdida por atrito num circuito.
• Pré-carga: pressão de gás do lado seco de um vaso de expansão.
• Pressostato: interruptor acionado por pressão.
• Purga: remoção do ar de um circuito hidráulico.
• SCE: Sistema de Certificação Energética dos Edifícios.
• Sobreaquecimento: temperatura do vapor acima da temperatura de evaporação, medida à saída do evaporador.
• Subarrefecimento: temperatura do líquido abaixo da temperatura de condensação.
• Termoacumulador: depósito isolado com aquecimento para guardar AQS.
• Válvula de 4 vias: válvula que inverte o sentido do fluido nas baterias de uma bomba de calor reversível.
• VRF: sistema de fluxo de refrigerante variável, multi-split de grande dimensão.
• Vaso de expansão: reservatório de membrana que absorve a dilatação da água.

Síntese

Os fundamentos são o calor sensível (Q = m × c × ΔT), a potência por caudal (P = 0,001163 × V̇ × ΔT) e a hidráulica de circuitos fechados (pressão, caudal, perda de carga, ponto de funcionamento da bomba, equilíbrio). O enquadramento regulamentar reparte-se por várias áreas (desempenho energético e SCE, gases fluorados, Legionella, gás, eletricidade, equipamentos sob pressão) e consulta-se sempre na redação em vigor. Os sistemas de arrefecimento são de expansão direta (unidades autónomas, compactas, split, multi-split, VRF) ou indiretos (chillers com fan-coils a 2 ou 4 tubos). Os sistemas de aquecimento distinguem-se por alta e baixa temperatura (radiadores, piso radiante) e têm componentes que o técnico lê e testa: caldeira, radiadores, coletores, termoacumulador, bombas, válvulas, termostatos, fluxostatos, pressostatos, vaso de expansão. O rendimento depende do gerador, da distribuição, da emissão e da regulação. A AQS calcula-se pela energia útil e pela acumulação, produz-se de forma instantânea ou com acumulação e pode ser apoiada pelo solar térmico. Os fluidos térmicos são a água, a água glicolada e os frigorigéneos, cada um com cuidados próprios. A regulação usa tudo ou nada, modulação e curvas climáticas. O ciclo de compressão de vapor da bomba de calor inverte-se pela válvula de 4 vias, com a descarga sempre a ir para o condensador do modo. Os procedimentos (lavar, encher, purgar, ensaiar, medir, registar) e a complementaridade entre sistemas fecham o trabalho, sempre com segurança elétrica, térmica e de pressão.

Exercícios resolvidos

1. Quanta energia é precisa para aquecer 300 l de água de 12 °C a 55 °C? Em kWh.

Resolução: m = 300 kg; ΔT = 43 K; Q = 300 × 4,18 × 43 = 53 922 kJ; 53 922 / 3 600 = 14,98 kWh, cerca de 15 kWh.

2. Um circuito de piso radiante tem ida 40 °C, retorno 34 °C e caudal 270 l/h. Que potência entrega?

Resolução: ΔT = 6 K; P = 0,001163 × 270 × 6 = 1,88 kW.

3. Quanto vale a velocidade da água num tubo de diâmetro interior 16 mm com 0,3 m³/h?

Resolução: Q = 0,3 / 3 600 = 8,33 × 10⁻⁵ m³/s; A = π × 0,008² = 2,01 × 10⁻⁴ m²; v = 8,33 × 10⁻⁵ / 2,01 × 10⁻⁴ = 0,41 m/s.

4. Um fan-coil de 3 kW com ΔT de água de 5 K. Que caudal?

Resolução: V̇ = 3 / (0,001163 × 5) = 3 / 0,005815 = 516 l/h.

5. Calcula o volume mínimo de um vaso de expansão: instalação com 100 l, expansão de 2,7%, pré-carga 1,0 bar, pressão final máxima 2,5 bar (relativa).

Resolução: ΔV = 2,7 l; Pi = 2,0 bar abs; Pf = 3,5 bar abs; V = 2,7 / (1 - 2,0/3,5) = 2,7 / 0,4286 = 6,3 l; escolhe-se um vaso de 8 l.

6. Um esquentador tem de fornecer 10 l/min a 40 °C, com água fria a 14 °C. Qual a potência útil?

Resolução: 600 l/h; ΔT = 26 K; P = 0,001163 × 600 × 26 = 18,1 kW.

7. Uma bomba de calor entrega 9 kWh consumindo 2,5 kWh elétricos. Qual o COP?

Resolução: COP = 9 / 2,5 = 3,6.

8. Numa bomba de calor reversível em aquecimento, por que lado passa o gás quente da descarga?

Resolução: A descarga (D) é ligada, pela válvula de 4 vias, à bateria interior, que passa a ser o condensador. A bateria exterior é o evaporador e liga à aspiração (S).

9. Uma curva climática liga ida 28 °C com exterior a 20 °C e 52 °C com exterior a -4 °C. Qual a ida com exterior a 8 °C?

Resolução: declive = (52 - 28) / (20 - (-4)) = 24 / 24 = 1; ida = 28 + (20 - 8) × 1 = 40 °C.

10. Um radiador está frio em cima e quente em baixo. Causa e solução?

Resolução: Ar acumulado. Purgar o radiador, repor a pressão do circuito e, se o ar voltar, procurar a entrada de ar (vaso, pressão baixa, purgador).