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Como funciona um aparelho de ar condicionado?

Rayzeek

Última atualização: janeiro 4, 2025

Os aparelhos de ar condicionado são essenciais para o conforto em climas quentes e húmidos. São aparelhos que arrefecem os espaços interiores, removendo o calor e a humidade do ar. Já alguma vez se interrogou sobre o funcionamento destes aparelhos aparentemente mágicos? Funcionam com base nos princípios da termodinâmica e do ciclo de refrigeração, um processo fascinante que envolve a manipulação das propriedades dos refrigerantes para transferir o calor do interior da sua casa para o exterior. Vamos mergulhar no funcionamento interno dos aparelhos de ar condicionado e descobrir a ciência por detrás do seu poder de refrigeração.

O que é um aparelho de ar condicionado?

Um aparelho de ar condicionado é um dispositivo que baixa a temperatura do ar interior, removendo o calor e a humidade. O seu principal objetivo é criar um ambiente interior confortável e saudável, regulando a temperatura e a humidade. Mas como é que ele consegue isso? O princípio básico do ar condicionado é a transferência de calor do interior de um espaço para o exterior, utilizando um fluido especial chamado refrigerante que absorve e liberta calor à medida que muda de estado. Pense nele como um vaivém de calor, que move constantemente a energia térmica de onde não a quer para onde pode ser dissipada.

Tipos de aparelhos de ar condicionado

Existem vários tipos de aparelhos de ar condicionado, cada um com o seu próprio conjunto de vantagens e desvantagens. Vamos explorar alguns dos tipos mais comuns:

Ar condicionado de janela

Os aparelhos de ar condicionado de janela são unidades autónomas concebidas para serem instaladas numa abertura de janela. Todos os seus componentes, incluindo o compressor, o condensador e o evaporador, estão alojados numa única unidade. Normalmente, são adequados para arrefecer divisões individuais e são relativamente baratos e fáceis de instalar. No entanto, podem ser ruidosos, bloquear parte da janela e são geralmente menos eficientes do que outros tipos.

Condicionadores de ar portáteis

Os aparelhos de ar condicionado portáteis são unidades móveis que podem ser deslocadas de uma divisão para outra. Têm componentes semelhantes aos das unidades de janela, mas incluem uma mangueira de exaustão para ventilar o ar quente para o exterior. Embora ofereçam portabilidade e não exijam uma instalação permanente, são geralmente menos eficientes, podem ser ruidosos e continuam a necessitar de uma janela ou abertura para a mangueira de exaustão. É como ter um companheiro de refrigeração que o segue, mas com algumas restrições.

Sistemas de ar condicionado central

Os sistemas centrais de ar condicionado são concebidos para arrefecer um edifício inteiro através de uma rede de condutas. São compostos por uma unidade exterior (que contém o compressor e o condensador), uma unidade interior (que contém o evaporador e o manipulador de ar) e condutas que distribuem o ar arrefecido. Estes sistemas oferecem um funcionamento eficiente e silencioso, com arrefecimento uniforme em todo o edifício. No entanto, a sua instalação é mais dispendiosa e requer condutas, o que faz deles um investimento significativo.

Sistemas Mini-Split sem condutas

Os sistemas mini-split sem condutas utilizam unidades interiores individuais ligadas a uma unidade exterior através de linhas de refrigerante. A unidade exterior aloja o compressor e o condensador, enquanto uma ou mais unidades interiores contêm o evaporador e o ventilador. Estes sistemas podem arrefecer uma ou várias zonas de forma independente e são conhecidos pela sua eficiência, funcionamento silencioso e instalação flexível, uma vez que não necessitam de condutas. No entanto, têm um custo inicial mais elevado do que as unidades de janela ou portáteis e requerem uma instalação profissional.

Sistemas de arrefecimento geotérmico

Os sistemas de arrefecimento geotérmico utilizam a temperatura estável da terra para arrefecer e aquecer edifícios. São constituídos por um permutador de calor de circuito no solo, uma bomba de calor e um manipulador de ar interior. No modo de arrefecimento, o calor é extraído do ar interior e transferido para o circuito subterrâneo, onde é dissipado para a terra. Estes sistemas são altamente eficientes, amigos do ambiente e têm uma longa vida útil. No entanto, têm um custo de instalação elevado e requerem uma área de terreno suficiente para o circuito no solo. É como aproveitar a frescura natural da terra para manter a sua casa confortável.

Componentes principais de um ar condicionado

Vários componentes essenciais trabalham em conjunto para que a magia do ar condicionado aconteça. Vamos analisar mais de perto cada uma destas peças essenciais:

Refrigerante

O refrigerante é um fluido que absorve e liberta calor à medida que muda de estado entre líquido e gás. É a força vital do sistema de ar condicionado, circulando e transportando calor constantemente. Os fluidos frigorigéneos têm propriedades específicas, como um baixo ponto de ebulição e um elevado calor latente de vaporização, que os tornam ideais para esta tarefa.

Existem vários tipos de refrigerantes, incluindo o R-22 (que está a ser gradualmente eliminado devido ao seu potencial de destruição da camada de ozono), o R-410A (um substituto comum do R-22), o R-32 (com um potencial de aquecimento global inferior ao do R-410A), o R-134a e o R-407C.

A escolha do fluido frigorigéneo tem um impacto significativo na eficiência do ciclo de refrigeração. As principais propriedades incluem:

  • Ponto de ebulição: Isto determina a temperatura a que o refrigerante evapora e absorve calor. Pontos de ebulição mais baixos permitem pressões de funcionamento mais baixas.
  • Calor Latente de Vaporização: Esta é a quantidade de calor absorvida durante a evaporação. Um calor latente mais elevado significa que é absorvido mais calor por unidade de massa de fluido frigorigéneo, tornando o processo de arrefecimento mais eficiente.
  • Capacidade térmica específica: Esta propriedade afecta a quantidade de calor absorvido ou libertado durante o aquecimento ou arrefecimento sensível.
  • Potencial de Aquecimento Global (GWP): Isto mede a quantidade de calor que um fluido frigorigéneo retém na atmosfera em comparação com o dióxido de carbono. Os fluidos frigorigéneos com menor PAG são mais amigos do ambiente.
  • Potencial de destruição do ozono (ODP): Isto mede a capacidade de um fluido frigorigéneo para destruir o ozono estratosférico. Os fluidos frigorigéneos com zero ODP são preferidos por razões ambientais.

Compressor

O compressor é o coração do sistema de AC, responsável pela compressão do refrigerante. Aumenta a pressão e a temperatura do gás refrigerante, preparando-o para a fase seguinte do ciclo. A nível molecular, o compressor aumenta a energia cinética das moléculas de refrigerante, reduzindo o volume que ocupam. Esse aumento na energia cinética se manifesta como um aumento na temperatura e na pressão. O processo de compressão também aumenta a densidade do gás refrigerante. Existem vários tipos de compressores:

Compressores alternativos

Estes utilizam pistões para comprimir o refrigerante, à semelhança de um motor de automóvel.

Compressores Scroll

Estes utilizam dois scrolls em forma de espiral para comprimir o refrigerante, oferecendo um funcionamento mais silencioso e eficiente.

Compressores rotativos

Estes utilizam uma palheta rotativa para comprimir o refrigerante, frequentemente encontrados em unidades de AC mais pequenas.

Compressores acionados por inversor

Estes estão a tornar-se cada vez mais populares devido ao seu funcionamento a velocidade variável, que permite uma maior eficiência e um controlo preciso da temperatura.

Condensador

O condensador é um permutador de calor onde o refrigerante quente e de alta pressão liberta calor para o ar exterior. É como o radiador do seu sistema de ar condicionado. A função do condensador é condensar o refrigerante de um gás para um líquido. É composto por serpentinas, alhetas e uma ventoinha.

Eis como funciona: O gás refrigerante quente flui através das serpentinas do condensador. A ventoinha sopra ar exterior sobre as bobinas, absorvendo o calor do refrigerante. À medida que o refrigerante perde calor, condensa-se num líquido. Este processo de transferência de calor envolve condução (transferência de calor do fluido frigorigéneo para as serpentinas), convecção (transferência de calor das serpentinas para o ar) e condensação (o fluido frigorigéneo muda de estado, libertando calor latente).

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Evaporador

O evaporador é outro permutador de calor, mas a sua função é absorver o calor do ar interior. É aqui que o fluido frigorigéneo evapora de um líquido para um gás, criando o efeito de arrefecimento. O evaporador é constituído por serpentinas, alhetas e uma ventoinha (ou ventilador).

O processo é o seguinte: O líquido refrigerante flui através das bobinas do evaporador. A ventoinha sopra o ar interior sobre as bobinas, transferindo calor para o refrigerante. À medida que o fluido frigorigéneo absorve calor, evapora-se e transforma-se em gás. Isto envolve condução (transferência de calor do ar para as bobinas), convecção (transferência de calor do ar para o fluido frigorigéneo) e evaporação (o fluido frigorigéneo muda de estado, absorvendo calor latente).

Válvula de expansão

A válvula de expansão regula o fluxo de refrigerante para o evaporador. Reduz a pressão e a temperatura do fluido frigorigéneo antes de este entrar no evaporador, permitindo-lhe absorver o calor de forma mais eficaz. Existem dois tipos principais:

  • Válvula de expansão termostática (TXV): Este tipo regula o fluxo de refrigerante com base na temperatura e pressão do evaporador, proporcionando um controlo preciso.
  • Tubo capilar: Trata-se de um tubo mais simples, de diâmetro fixo, que restringe o fluxo de refrigerante. É menos dispendioso, mas também menos preciso do que um TXV.

A válvula de expansão cria uma queda de pressão, fazendo com que o refrigerante se evapore rapidamente. Esta rápida expansão faz baixar a temperatura do refrigerante. A válvula de expansão mantém uma diferença de pressão específica entre o condensador e o evaporador, assegurando que o evaporador recebe a quantidade correta de refrigerante para corresponder à carga de arrefecimento. É importante salientar que evita que o líquido refrigerante entre no compressor, o que pode causar danos.

O ciclo de refrigeração explicado

O ciclo de refrigeração é o processo pelo qual os aparelhos de ar condicionado removem o calor dos espaços interiores. É composto por quatro fases principais:

Fase de compressão

O ciclo começa com o compressor, que comprime o gás refrigerante de baixa pressão num gás de alta pressão e alta temperatura. Este processo exige trabalho, aumentando a energia interna do refrigerante. O compressor aumenta essencialmente a temperatura do fluido frigorigéneo acima da temperatura do ar exterior, preparando o terreno para a transferência de calor.

Fase de condensação

O gás refrigerante de alta pressão e alta temperatura flui então para o condensador. Aqui, o ventilador do condensador sopra o ar exterior sobre as bobinas do condensador, removendo o calor do refrigerante. À medida que o refrigerante perde calor, condensa-se num líquido de alta pressão, libertando calor latente no processo. É aqui que o calor da sua casa é expelido para o exterior.

Fase de expansão

O líquido refrigerante de alta pressão passa então através da válvula de expansão. Esta válvula reduz a pressão do refrigerante, fazendo com que este se evapore parcialmente numa mistura de líquido e gás a baixa pressão e baixa temperatura. Esta queda súbita de pressão e temperatura é crucial para a fase seguinte.

Fase de evaporação

A mistura de refrigerante a baixa pressão e a baixa temperatura entra no evaporador. A ventoinha do evaporador sopra o ar interior sobre as bobinas do evaporador, transferindo calor para o refrigerante. À medida que o fluido frigorigéneo absorve o calor, evapora-se totalmente, transformando-se num gás de baixa pressão. O ar arrefecido é então circulado de volta para a divisão, proporcionando o efeito de arrefecimento desejado.

Aprofundar os princípios termodinâmicos da refrigeração

O ciclo de refrigeração é um belo exemplo de termodinâmica aplicada. Vamos analisar os princípios fundamentais em jogo:

  • Primeira Lei da Termodinâmica: Esta lei afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transferida ou alterada de uma forma para outra. No ciclo de refrigeração, o trabalho introduzido no compressor é convertido em calor, que é depois transferido para fora do sistema.
  • Segunda Lei da Termodinâmica: Esta lei estabelece que o calor flui naturalmente de um objeto mais quente para um objeto mais frio. O ciclo de refrigeração, no entanto, utiliza trabalho para mover o calor contra este fluxo natural, de um espaço mais frio (interior) para um espaço mais quente (exterior). É como forçar a água a subir uma colina - requer energia.
  • Entropia: Esta é uma medida de desordem ou aleatoriedade. O ciclo de refrigeração aumenta a entropia do meio envolvente (ar exterior) e diminui a entropia do sistema (ar interior).
  • Ciclo de Carnot: Este é o ciclo termodinâmico teórico mais eficiente para a refrigeração. Os ciclos de refrigeração do mundo real desviam-se do ciclo de Carnot devido a irreversibilidades, mas este serve como uma referência importante para a eficiência.

Diagramas de pressão e entalpia: Visualizando o ciclo de refrigeração

Os diagramas de pressão-entalpia (P-h) são utilizados para representar graficamente o estado do refrigerante em diferentes pontos do ciclo de refrigeração. O diagrama representa a pressão no eixo y e a entalpia (uma medida do conteúdo total de calor) no eixo x.

Os pontos principais do diagrama incluem:

  • Entrada do compressor: Baixa pressão, baixa entalpia
  • Saída do compressor: Alta pressão, alta entalpia
  • Saída do condensador: Alta pressão, entalpia média
  • Saída da válvula de expansão: Baixa pressão, média entalpia
  • Saída do evaporador: Baixa pressão, baixa entalpia

A área delimitada pelo ciclo no diagrama P-h representa o trabalho efectuado pelo compressor. A distância horizontal entre a entrada e a saída do evaporador representa a capacidade de refrigeração. Esses diagramas são ferramentas essenciais para engenheiros que projetam e analisam sistemas de refrigeração.

A importância do sobreaquecimento e do subarrefecimento

O sobreaquecimento e o subarrefecimento são dois conceitos importantes na refrigeração:

  • Superaquecimento: Esta é a quantidade de calor adicionada ao vapor de refrigerante depois de este se ter evaporado completamente no evaporador. Ele garante que apenas o vapor entre no compressor, evitando danos, e indica a eficiência do processo de evaporação. Os valores típicos de superaquecimento variam de 5-15°F (2,8-8,3°C).
  • Subarrefecimento: Esta é a quantidade de calor removida do líquido refrigerante depois de este se ter condensado completamente no condensador. Assegura que apenas o líquido entra na válvula de expansão, evitando o gás de flash e melhorando a eficiência do processo de expansão. Os valores típicos de sub-resfriamento variam de 10-20°F (5,6-11,1°C).

Compreender a classificação SEER

O SEER, ou Rácio de Eficiência Energética Sazonal, mede a eficiência de arrefecimento de um ar condicionado durante toda a estação de arrefecimento. É calculado dividindo a potência total de arrefecimento (em BTUs) durante uma estação de arrefecimento típica pela entrada total de energia eléctrica (em watts-hora) durante o mesmo período. Classificações SEER mais elevadas indicam uma maior eficiência energética. As normas SEER mínimas são definidas por organismos reguladores, como o Departamento de Energia dos EUA.

No entanto, o SEER tem as suas limitações. Baseia-se num procedimento de teste padronizado que pode não refletir com precisão as condições de funcionamento no mundo real. Também não tem em conta as variações climáticas, os padrões de utilização e a qualidade da instalação. Além disso, considera principalmente o arrefecimento sensível e pode não captar totalmente o impacto da desumidificação no consumo de energia.

Compreender as classificações EER

O EER, ou Rácio de Eficiência Energética, mede a eficiência de arrefecimento de um ar condicionado a uma temperatura exterior específica (95°F ou 35°C). É calculado dividindo a capacidade de arrefecimento (em BTUs por hora) pela potência de entrada (em watts) a uma determinada temperatura. Classificações EER mais elevadas indicam uma maior eficiência energética a temperaturas mais elevadas. O EER é um melhor indicador do desempenho em climas quentes.

Tal como o SEER, o EER também tem limitações. Representa o desempenho num único ponto de funcionamento e não capta as variações de eficiência em diferentes temperaturas. Pode também não ter totalmente em conta o impacto da humidade no desempenho da refrigeração e no consumo de energia.

Compreender as classificações BTU

BTU, ou Unidade Térmica Britânica, é uma medida de energia térmica. No contexto dos aparelhos de ar condicionado, representa a capacidade de arrefecimento - a quantidade de calor que um aparelho de ar condicionado pode remover de um espaço numa hora. Classificações BTU mais elevadas indicam uma maior capacidade de arrefecimento.

A escolha da classificação BTU correta é crucial. Depende de factores como o tamanho da divisão, o isolamento, a altura do teto, o número de janelas e o clima. As unidades subdimensionadas terão dificuldade em arrefecer o espaço de forma eficaz, enquanto as unidades sobredimensionadas ligarão e desligarão com demasiada frequência, levando a uma desumidificação deficiente e a uma eficiência reduzida. Trata-se de um equilíbrio delicado que requer uma análise cuidadosa.

Exploração aprofundada da tecnologia de compressores

Vamos aprofundar os diferentes tipos de compressores utilizados nos aparelhos de ar condicionado:

Compressores alternativos: Mecânica e eficiência

Os compressores alternativos utilizam pistões acionados por uma cambota para comprimir o gás refrigerante. A operação envolve um curso de sucção (em que o pistão se move para baixo, aspirando gás a baixa pressão), um curso de compressão (em que o pistão se move para cima, comprimindo o gás) e um curso de descarga (em que o gás a alta pressão é descarregado para o condensador).

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Estes compressores têm uma eficiência moderada, que pode ser melhorada com cilindros múltiplos e modulação da capacidade. São relativamente simples na conceção e de baixo custo, mas podem ser ruidosos e propensos a vibrações. Também tendem a ter uma eficiência mais baixa em condições de carga parcial.

Compressores Scroll: Vantagens de design e desempenho

Os compressores Scroll utilizam dois scrolls entrelaçados - um estacionário e outro em órbita - para comprimir o refrigerante. O gás refrigerante é atraído para a parte externa dos rolos. À medida que o rolo em órbita se move, o gás é gradualmente comprimido em bolsas mais pequenas em direção ao centro. O gás de alta pressão é então descarregado no centro dos rolos.

Estes compressores oferecem uma elevada eficiência, especialmente em condições de carga parcial. São conhecidos pelo seu funcionamento silencioso, compressão suave e contínua, menos peças móveis e elevada fiabilidade. No entanto, têm um custo mais elevado em comparação com os compressores alternativos.

Compressores rotativos: Aplicações e caraterísticas operacionais

Os compressores rotativos utilizam um pistão rolante ou uma palheta rotativa dentro de um cilindro para comprimir o refrigerante. No tipo de pistão rolante, um rolo move-se ao longo do interior do cilindro, comprimindo o gás à sua frente. No tipo de palheta rotativa, as palhetas deslizam para dentro e para fora das ranhuras de um rotor, prendendo e comprimindo o gás.

Estes compressores têm uma eficiência moderada a elevada, dependendo da conceção. São compactos, leves e adequados para aplicações mais pequenas. No entanto, podem ser menos eficientes do que os compressores scroll e têm o potencial de fuga de refrigerante.

Compressores acionados por inversor: Funcionamento a velocidade variável e poupança de energia

Os compressores acionados por inversor utilizam uma unidade de frequência variável (inversor) para controlar a velocidade do motor do compressor. O inversor ajusta a frequência da fonte de alimentação para o motor, permitindo que o compressor funcione a diferentes velocidades. A velocidade do compressor é adaptada às necessidades de arrefecimento, proporcionando um controlo preciso da temperatura.

Estes compressores oferecem uma eficiência muito elevada, especialmente em condições de carga parcial. Proporcionam poupanças de energia significativas, maior conforto, um funcionamento mais silencioso e uma vida útil mais longa do compressor. No entanto, têm um custo inicial mais elevado e uma tecnologia mais complexa.

Designs avançados de permutadores de calor para um melhor desempenho

A conceção do permutador de calor desempenha um papel crucial no desempenho global de um sistema de ar condicionado. Vamos explorar alguns designs avançados:

Trocadores de calor de microcanais: Aumento da área de superfície e transferência de calor

Os permutadores de calor de microcanais utilizam canais pequenos e paralelos em vez dos tradicionais tubos redondos para o fluxo de refrigerante. Esta conceção oferece várias vantagens, incluindo uma maior área de superfície para a transferência de calor, um melhor coeficiente de transferência de calor, uma carga de refrigerante reduzida e um tamanho compacto com um peso mais leve. São normalmente utilizados no ar condicionado automóvel e estão a ser cada vez mais adoptados em sistemas residenciais e comerciais.

Trocadores de calor aletados e tubulares: Otimização da geometria e espaçamento das alhetas

Os permutadores de calor de aletas e tubos consistem em tubos que transportam o refrigerante e aletas que aumentam a transferência de calor para o ar. A otimização do design das alhetas é crucial para o desempenho. A densidade das alhetas (o número de alhetas por polegada) é importante - uma maior densidade aumenta a área de superfície, mas também pode aumentar a queda de pressão do ar. A forma das alhetas também desempenha um papel importante, com várias formas, como as alhetas onduladas ou com persianas, que aumentam a turbulência do ar e a transferência de calor. O espaçamento das alhetas é outro fator, com o espaçamento ideal a equilibrar a transferência de calor e a resistência do fluxo de ar. Uma conceção adequada das alhetas pode melhorar significativamente a eficiência da transferência de calor e reduzir o consumo de energia.

Impacto da conceção do permutador de calor na eficiência e capacidade do sistema

A conceção do permutador de calor tem um impacto direto na taxa de transferência de calor, que é a sua função principal. Também afecta a queda de pressão do refrigerante e do ar, influenciando o trabalho do compressor e a potência do ventilador. Além disso, a conceção influencia a quantidade de fluido frigorigéneo necessária no sistema. Os permutadores de calor eficientes contribuem para uma maior capacidade de arrefecimento, menor consumo de energia e melhores classificações SEER/EER. São um fator crítico no desempenho geral do sistema.

Manutenção do seu ar condicionado para um desempenho ótimo

A manutenção regular é essencial para manter o seu ar condicionado a funcionar de forma eficiente e eficaz. Eis algumas das principais tarefas de manutenção:

  • Limpar ou substituir regularmente os filtros de ar: Os filtros sujos restringem o fluxo de ar, reduzindo a eficiência e a capacidade de refrigeração.
  • Limpar as serpentinas do condensador e do evaporador: A sujidade e os detritos nas serpentinas podem impedir a transferência de calor, fazendo com que o seu sistema trabalhe mais.
  • Verificar os níveis de refrigerante: Níveis baixos de refrigerante podem indicar uma fuga e reduzir o desempenho do sistema.
  • Inspecionar e limpar o dreno de condensado: Um ralo entupido pode causar danos causados pela água e afetar o controlo da humidade.
  • Lubrificar as peças móveis: A lubrificação adequada dos motores dos ventiladores e de outras peças móveis assegura um funcionamento suave e evita o desgaste.
  • Marcar uma manutenção profissional anual: Um técnico qualificado pode efetuar uma inspeção abrangente, identificar potenciais problemas e otimizar o desempenho do sistema.

Uma manutenção adequada pode prolongar a vida útil do seu ar condicionado, melhorar a eficiência energética, evitar reparações dispendiosas, garantir um desempenho de refrigeração ótimo e manter uma boa qualidade do ar interior. É um investimento que compensa a longo prazo.

O dimensionamento e a correspondência dos componentes também são cruciais para um desempenho ótimo. A capacidade do compressor deve ser adaptada à carga de arrefecimento e ao tamanho do condensador e do evaporador. O condensador deve ser suficientemente grande para rejeitar o calor absorvido pelo evaporador mais o calor da compressão. O evaporador deve ser dimensionado de forma adequada para absorver a quantidade necessária de calor do espaço interior. O tipo e o tamanho da válvula de expansão devem ser selecionados para fornecer o caudal correto de refrigerante e manter o superaquecimento ideal. Finalmente, o ventilador ou ventoinha deve fornecer um caudal de ar suficiente através das bobinas do evaporador e do condensador para uma transferência de calor eficaz.

Os componentes incompatíveis podem levar a uma capacidade de refrigeração reduzida, a um aumento do consumo de energia, a uma falha prematura dos componentes, a um controlo deficiente da temperatura e da humidade e a uma redução da vida útil do sistema. É como tentar correr uma maratona com sapatos demasiado pequenos - está a preparar-se para o fracasso.

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