Tecnologia das bombas de calor

O calor flui naturalmente de uma temperatura mais elevada para uma mais baixa. As bombas de calor, no entanto, conseguem forçar o fluxo de calor na direção oposta, utilizando uma quantidade relativamente pequena de energia motriz de alta qualidade (eletricidade, combustível ou calor residual a alta temperatura). Assim, as bombas de calor podem transferir calor a partir de fontes naturais do ambiente, como o ar, o solo ou a água, ou de fontes de calor criadas pelo homem, como resíduos industriais ou domésticos, para um edifício ou uma aplicação industrial. As bombas de calor também podem ser utilizadas para refrigeração. Nesse caso, o calor é transferido na direção oposta, da aplicação que está a ser refrigerada para o ambiente circundante, que se encontra a uma temperatura mais elevada. Por vezes, o excesso de calor resultante da refrigeração é utilizado para satisfazer uma necessidade simultânea de aquecimento.

Para transportar calor de uma fonte de calor para um dissipador de calor, é necessária energia externa para acionar a bomba de calor. Teoricamente, o calor total fornecido pela bomba de calor é igual ao calor extraído da fonte de calor, mais a quantidade de energia de acionamento fornecida. As bombas de calor elétricas destinadas ao aquecimento de edifícios fornecem normalmente 100 kWh de calor com apenas 20 a 40 kWh de eletricidade. Muitas bombas de calor industriais conseguem atingir um desempenho ainda superior, fornecendo a mesma quantidade de calor com apenas 3 a 10 kWh de eletricidade.

Uma vez que as bombas de calor consomem menos energia primária do que os sistemas de aquecimento convencionais, constituem uma tecnologia importante para a redução das emissões de gases nocivos para o ambiente, tais como o dióxido de carbono (CO₂), o dióxido de enxofre (SO₂) e os óxidos de azoto (NOx). No entanto, o impacto ambiental global das bombas de calor elétricas depende em grande medida da forma como a eletricidade é produzida. As bombas de calor alimentadas por eletricidade proveniente, por exemplo, de centrais hidroelétricas ou de energias renováveis reduzem as emissões de forma mais significativa do que quando a eletricidade é gerada por centrais elétricas a carvão, petróleo ou gás.

Os dois principais tipos de bombas de calor
Quase todas as bombas de calor atualmente em funcionamento baseiam-se num ciclo de compressão de vapor ou num ciclo de absorção. Estes dois princípios serão brevemente abordados nas duas secções seguintes.

Teoricamente, o bombeamento de calor pode ser obtido através de muitos outros ciclos e processos termodinâmicos. Entre estes contam-se os ciclos de Stirling e de Vuilleumier, os ciclos monofásicos (por exemplo, com ar, CO₂ ou gases nobres), os sistemas de sorção sólido-vapor, os sistemas híbridos (nomeadamente os que combinam o ciclo de compressão de vapor com o ciclo de absorção) e os processos eletromagnéticos e acústicos. Alguns destes estão a entrar no mercado ou atingiram a maturidade técnica, podendo vir a assumir uma importância significativa no futuro.

Compressão de vapor
A grande maioria das bombas de calor funciona com base no princípio do ciclo de compressão de vapor. Os principais componentes de um sistema de bomba de calor deste tipo são o compressor, a válvula de expansão e dois permutadores de calor, designados por evaporador e condensador. Os componentes estão ligados de forma a formar um circuito fechado, conforme ilustrado na Figura 1. Um líquido volátil, conhecido como fluido de trabalho ou refrigerante, circula através dos quatro componentes.

No evaporador, a temperatura do fluido de trabalho líquido é mantida abaixo da temperatura da fonte de calor, o que faz com que o calor flua da fonte de calor para o líquido, e o fluido de trabalho evapora. O vapor proveniente do evaporador é comprimido até atingir uma pressão e uma temperatura mais elevadas. O vapor quente entra então no condensador, onde se condensa e liberta calor útil. Por fim, o fluido de trabalho de alta pressão é expandido até à pressão e temperatura do evaporador na válvula de expansão. O fluido de trabalho regressa ao seu estado original e entra novamente no evaporador. O compressor é normalmente acionado por um motor elétrico e, por vezes, por um motor de combustão.

Um motor elétrico aciona o compressor (ver Figura 1) com perdas de energia muito reduzidas. A eficiência energética global da bomba de calor depende fortemente da eficiência com que a eletricidade é produzida. Este aspeto é abordado na secção sobre o desempenho da bomba de calor. ›››
Quando o compressor é acionado por um motor a gás ou a gasóleo (ver Figura 2), o calor proveniente da água de arrefecimento e dos gases de escape é utilizado em complemento ao calor do condensador.
As bombas de calor industriais do tipo compressão de vapor utilizam frequentemente o próprio fluido do processo como fluido de trabalho num ciclo aberto. Estas bombas de calor são geralmente designadas por recompressores mecânicos de vapor, ou MVR; consulte a secção sobre Bombas de calor na indústria. ›››

Figura 1: Bomba de calor de compressão de vapor de ciclo fechado, acionada por motor elétrico

Figura 2: Bomba de calor de compressão de vapor de ciclo fechado, acionada por motor.

Figura 2: Bomba de calor de compressão de ciclo fechado, acionada por motor

Figura 3: Bomba de calor por absorção

Absorção
As bombas de calor por absorção são acionadas termicamente, o que significa que é o calor, e não a energia mecânica, que é fornecido para acionar o ciclo. As bombas de calor por absorção destinadas à climatização de espaços são frequentemente alimentadas a gás, enquanto as instalações industriais são normalmente acionadas por vapor de alta pressão ou calor residual.

Os sistemas de absorção aproveitam a capacidade dos líquidos ou sais de absorverem o vapor do fluido de trabalho. Os pares de fluidos de trabalho mais comuns nos sistemas de absorção são:

água (fluido de trabalho) e brometo de lítio (absorvente); e
amónia (fluido de trabalho) e água (absorvente).

Nos sistemas de absorção, a compressão do fluido de trabalho é realizada termicamente num circuito de solução que consiste num absorvedor, numa bomba de solução, num gerador e numa válvula de expansão, conforme ilustrado na Figura 3. O vapor de baixa pressão proveniente do evaporador é absorvido pelo absorvente. Este processo gera calor. A solução é bombeada até alta pressão e, em seguida, entra no gerador, onde o fluido de trabalho é levado à ebulição com um fornecimento externo de calor a alta temperatura. O fluido de trabalho (vapor) é condensado no condensador, enquanto o absorvente é devolvido ao absorvedor através da válvula de expansão.

O calor é extraído da fonte de calor no evaporador. O calor útil é libertado a temperatura média no condensador e no absorvedor. No gerador, é fornecido calor a alta temperatura para fazer funcionar o processo. Pode ser necessária uma pequena quantidade de eletricidade para fazer funcionar a bomba de solução.

No que diz respeito aos transformadores de calor, que, através dos mesmos processos de absorção, conseguem valorizar o calor residual sem necessitar de uma fonte de calor externa, consulte a secção sobre bombas de calor na indústria.