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Bomba de calor

Bomba de calor: como funciona, tipos e custos

A bomba de calor é uma máquina que utiliza a energia do ar, do solo ou da água subterrânea e a converte em energia térmica. Descubra como funciona

A bomba de calor é uma máquina que, utilizando diferentes formas de energia, é capaz de extrair e transferir energia térmica. Sua escolha depende das características climáticas do local onde é instalada, das características tipológicas do edifício e das condições de uso.

Vamos analisar detalhadamente o que é, como funciona, os tipos e os custos.

O que é uma bomba de calor?

A bomba de calor é uma máquina capaz de transferir calor de um ambiente a uma temperatura mais baixa para outro a uma temperatura mais alta. Muitas vezes, pensamos apenas no conceito de bomba de calor para água quente, mas na verdade essa máquina tem um funcionamento mais amplo. Além do aquecimento no inverno e do fornecimento de água quente para uso sanitário, ela também pode resfriar ambientes invertendo o ciclo.

Bomba de calor: como funciona

O princípio de funcionamento baseia-se no fenômeno da expansão Joule-Thomson de um fluido refrigerante muito frio, que vaporiza a baixas temperaturas. Esse fluido, passando por ciclos de compressão e expansão, permite que a bomba de calor transfira calor para a água quente sanitária.

Para aquecer o ambiente, a bomba de calor extrai o calor de uma fonte natural (como ar, água ou solo), o eleva à temperatura desejada e o transporta para dentro do edifício, onde será irradiado no ambiente por meio de sistemas radiantes no piso ou terminais como radiadores ou fan coils.

Essencialmente, funciona de maneira semelhante, mas oposta, a um refrigerador. Este último, de fato, tende a expelir o calor de dentro para fora, enquanto a bomba de calor o captura do exterior e, depois de elevá-lo à temperatura desejada, o introduz no interior. Para resfriar o ambiente, por outro lado, o calor é extraído do ar presente dentro do edifício e expelido, de maneira totalmente análoga a um refrigerador.

O meio externo do qual o calor é extraído é chamado de fonte fria. Na bomba de calor, o fluido refrigerante absorve calor da fonte fria através do evaporador.

As principais fontes frias são:

  • o ar externo ao local onde a bomba de calor está instalada ou retirado do local onde a bomba de calor está instalada;
  • a água subterrânea, de rio ou de lago quando está presente nas proximidades dos ambientes a serem aquecidos e em pouca profundidade.

Outras fontes podem ser constituídas pela água acumulada em tanques e aquecida pela radiação solar e pelo solo, no qual são inseridos os tubos relacionados ao evaporador.

O ar ou a água a serem aquecidos são chamados de poço quente. No condensador, o fluido refrigerante transfere para o poço quente tanto o calor retirado da fonte fria quanto a energia fornecida pelo compressor.

Como é feita uma bomba de calor: componentes

A bomba de calor é composta por um circuito fechado, percorrido por um fluido especial (refrigerante) que, dependendo das condições de temperatura e pressão em que se encontra, assume o estado líquido ou de vapor.

O circuito fechado é composto por:

  • um compressor;
  • um condensador;
  • uma válvula de expansão;
  • um evaporador.

O condensador e o evaporador são compostos por trocadores de calor, ou seja, tubos em contato com um fluido de serviço (que pode ser água ou ar) nos quais o fluido refrigerante flui.

Este cede calor ao condensador e o retira do evaporador. Os componentes do circuito podem ser agrupados em um único bloco ou divididos em duas partes (sistemas split) conectadas por tubos nos quais o fluido refrigerante circula.

No funcionamento, o fluido refrigerante, dentro do circuito, passa pelas seguintes transformações divididas em 4 fases:

  • fase 1 – compressão: o fluido refrigerante, no estado gasoso e a baixa pressão, proveniente do evaporador, é elevado à alta pressão; durante a compressão, ele se aquece absorvendo uma certa quantidade de calor;
  • fase 2 – condensação: o fluido refrigerante, proveniente do compressor, passa do estado gasoso para o líquido, liberando calor para o ambiente;
  • fase 3 – expansão: ao passar pela válvula de expansão, o fluido refrigerante líquido se transforma parcialmente em vapor e se resfria;
  • fase 4 – evaporação: o fluido refrigerante absorve calor do ambiente externo e evapora completamente.

O conjunto dessas transformações constitui o ciclo da bomba de calor: fornecendo energia ao fluido refrigerante com o compressor, este, no evaporador, absorve calor do meio ambiente e, através do condensador, o transfere para o meio a ser aquecido.

Esquema de funcionamento

A seguir, apresento um esquema que ilustra o funcionamento de uma bomba de calor. Na figura abaixo, estão representados os principais componentes.

Começamos por uma fonte de calor (ar, terra, água), que através do evaporador fornece calor ao refrigerante que evapora. Em seguida, passamos pelo compressor, que comprime o gás refrigerante aumentando sua temperatura. Chegamos ao condensador, onde os gases quentes transferem calor para a água do sistema de aquecimento condensando. O líquido, então, passa pela válvula de expansão, onde se expande reduzindo sua temperatura.

Esquema de bomba de calor

Esquema de bomba de calor

Tipos de bombas de calor

Existem vários tipos de bombas de calor cujo funcionamento é baseado nos mesmos princípios. As bombas de calor são divididas, principalmente, em duas categorias:

  • bombas de calor monovalentes: independentes de outros geradores de calor;
  • bombas de calor bivalentes: que se integram a outros geradores de calor, especialmente adequadas para áreas sujeitas a uma diminuição significativa das temperaturas.

Quanto à função, as bombas de calor podem ser classificadas em 4 principais tipos, indicando primeiro a fonte fria (evaporador) e segundo o poço quente (condensador):

  • bomba de calor ar-água: realiza tanto a função de aquecimento quanto a de resfriamento. Funciona gerando calor através da troca de calor com o ar externo e utilizando-o em um ciclo para transferir calor de um fluido mais frio para um mais quente, ou seja, água sanitária ou a do sistema de aquecimento;
  • bomba de calor ar-ar: composta por pelo menos duas unidades (sendo uma externa) e equipadas com split e sistema de canalização de ar. Exemplos de bombas de calor ar-ar incluem condicionadores de ar;
  • bomba de calor água-água: utiliza a água como fonte fria e quente, em ambas as circunstâncias, a troca de calor ocorre no evaporador e no condensador entre o fluido refrigerante e a água.
  • bomba de calor terra-água (bomba de calor geotérmica): aquece a água usando o calor presente no solo, capturando-o através de uma sonda geotérmica. Esse tipo de máquina tem uma alta eficiência energética, especialmente quando combinada com sistemas de aquecimento de baixa temperatura. Por outro lado, requer muita atenção em sua manutenção.

Bomba de calor monobloco e dividida: diferenças

Para bombas de calor ar-água, desenvolveram-se dois sistemas distintos: o sistema monobloco e o sistema dividido, dependendo de onde ocorre a troca de energia entre o que é recuperado do ar externo e o fluido que circula no sistema de aquecimento.

No sistema dividido, a transferência de energia ocorre em um trocador de gás-água colocado em uma estrutura separada da unidade externa que absorveu calor do ar. Este trocador geralmente é colocado dentro da residência e está contido em um módulo que se assemelha, em termos de tamanho, a uma caldeira.

No sistema monobloco, por outro lado, o trocador está contido na própria unidade externa, formando uma unidade única.

Portanto, a principal diferença entre os dois sistemas reside no fato de que na bomba de calor monobloco todos os componentes estão agrupados juntos, enquanto na dividida eles são distribuídos em duas unidades separadas, uma interna e outra externa.

Bomba de calor monobloco e dividida

Bomba de calor monobloco e dividida

Eficiência e desempenho de uma bomba de calor

Durante o seu funcionamento, a bomba de calor:

  • consome energia elétrica no compressor;
  • absorve calor no evaporador, do meio ambiente circundante, que pode ser ar ou água;
  • cede calor ao meio a ser aquecido no condensador (ar ou água).

A vantagem no uso da bomba de calor advém de sua capacidade de fornecer mais energia (calor) do que a energia elétrica consumida para o seu funcionamento, uma vez que extrai calor do ambiente externo (ar-água).

As bombas de calor representam a solução ideal para reduzir o consumo e as emissões de CO2 e, consequentemente, preservar o ecossistema de nosso Planeta. Elas, por exemplo, são um dos sistemas centrais e indispensáveis para os edifícios NZEB. A eficiência de uma bomba de calor é medida pelo COP (coeficiente de performance), que é a relação entre a energia fornecida (calor cedido ao meio a ser aquecido) e a energia elétrica consumida.

O COP varia de acordo com o tipo de bomba de calor e as condições de operação e geralmente possui valores próximos a 3. Isso significa que, para 1 kWh de energia elétrica consumida, ela fornecerá 3 kWh (2580 kcal) de calor ao meio a ser aquecido.

O COP será tanto maior quanto mais baixa for a temperatura à qual o calor é cedido (no condensador) e quanto mais alta for a da fonte da qual é absorvido (no evaporador).

Além disso, é preciso considerar que a potência térmica fornecida pela bomba de calor depende da temperatura à qual ela absorve calor.

Como funciona uma bomba de calor para resfriamento?

A bomba de calor é capaz de desempenhar também a função de resfriamento. A premissa fundamental é que a bomba de calor seja projetada de forma reversível, ou seja, que o processo termodinâmico da unidade possa ser invertido.

Neste caso, a bomba de calor retira o calor dos espaços habitáveis e o transfere para o ambiente circundante (ar, terra ou água) através do circuito de recuperação de calor descrito anteriormente.

Há duas opções disponíveis para o resfriamento:

  • resfriamento ativo: requer energia elétrica adicional para ativar o compressor. Apesar de implicar um custo adicional, oferece uma capacidade de resfriamento superior em comparação com o resfriamento passivo. Esta modalidade é frequentemente usada com bombas de calor ar-água;
  • resfriamento passivo: é mais eficiente do ponto de vista energético, mas só pode ser implementado com bombas de calor água glicol-água ou água-água. Neste caso, a bomba de calor não está completamente ativa, e o calor do edifício é transferido para a fonte de energia apenas através da bomba de circulação.

Como funciona uma bomba de calor no inverno?

Falar sobre aproveitar o calor ambiente no inverno pode parecer um conceito incomum. No entanto, desde que a temperatura da fonte de calor (ar, terra ou água) permaneça superior ao ponto de ebulição do refrigerante que transporta a energia térmica, é possível usar de maneira eficiente o calor ambiente para o aquecimento e a produção de água quente.

Como o ponto de ebulição dos fluidos refrigerantes comumente usados está entre um máximo de -57°C e um mínimo de -12°C Celsius, o funcionamento do sistema de aquecimento é garantido de maneira confiável mesmo durante o inverno.

No caso de o sistema atingir seu limite em dias excepcionalmente frios, um elemento de aquecimento elétrico adicional é acionado para garantir a segurança.

A eficiência de uma bomba de calor no inverno é influenciada pelo seu design. As variações de temperatura das fontes de energia para as bombas de calor salmoura-água (geotérmica) e água-água (lençol freático) são significativamente menores do que as da bomba de calor ar-água. No solo, a temperatura permanece pelo menos 10°C durante todo o ano a partir de uma profundidade de 10 metros.

Afinal, quais são as vantagens?

As principais vantagens do uso de uma bomba de calor para o aquecimento e a água quente sanitária estão relacionadas às fontes de energia renováveis e gratuitas das quais a bomba retira o calor para os edifícios.

Outras vantagens incluem:

  • economia significativa nas contas;
  • custos baixos de manutenção;
  • baixo impacto ambiental;
  • acesso a incentivos fiscais.

As desvantagens das bombas de calor estão essencialmente relacionadas aos custos de instalação e ao espaço ocupado. Mais do que desvantagens, é preciso falar de precauções na escolha dos modelos.

 

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