A bomba de calor ar-água: como funciona?

Este aparelho de aquecimento na moda, popular pela sua utilização de energia renovável do ar, permanece muitas vezes um mistério quanto ao seu funcionamento. Este artigo ajudá-lo-á a compreender o princípio subjacente às bombas de calor ar/água.

Uma bomba de calor ar-água absorve o calor do ar exterior graças à natureza endotérmica da reação de evaporação de um refrigerante. Distribui as calorias pela água da rede doméstica graças à propriedade exotérmica da condensação do mesmo refrigerante.

A definição acima é uma forma "complicada" de explicar as coisas, mas é perfeitamente possível explicar as coisas em termos leigos e, uma vez compreendida, é possível entrar em mais pormenores.

O princípio de funcionamento da bomba de calor Ar-Água é explicado.

Analogia de frigoríficos

Todos nós temos um frigorífico em casa. Se quisermos que ele funcione, é melhor deixar a porta fechada. A razão é simples, e todos nós estamos intuitivamente conscientes disso. É que é necessário limitar o volume a arrefecer. Só queremos arrefecer os alimentos que estão no frigorífico.

Mas o que acontece se abrirmos a porta do frigorífico? Pode imaginar que os alimentos vão aquecer ao entrarem em contacto com o ar ambiente. O frigorífico continua a funcionar porque não sabe que a porta está aberta. Sem se aperceber, está a tentar arrefecer um volume demasiado grande para o seu pequeno compressor, está a tentar arrefecer a sala inteira.

O resultado é que o seu pequeno compressor está constantemente a trabalhar. Ele olha para o ponto de regulação que tem de atingir e, até lá chegar, continua a trabalhar. E o condensador na parte de trás do frigorífico está a trabalhar na sua capacidade máxima. Condensa, condensa, aquece porque a condensação é uma reação que liberta calor (exotérmica).

O seu frigorífico tornou-se um aquecedor: tem à sua frente o volume da divisão a arrefecer enquanto a porta estiver aberta. Para ele, este volume é virtualmente infinito e impossível de arrefecer. Por isso, funciona em ciclo e aquece por condensação.

O mesmo princípio aplica-se ao aquecimento da sua casa com uma bomba de calor. Só que não se "abre a porta" ao volume da divisão, mas sim a todo o ambiente exterior, ao jardim... ao planeta. Assim, temos uma fonte "infinita" para arrefecer. Consequentemente, é possível aquecer a casa através da condensação no condensador da água da rede doméstica: o refrigerante redistribui as calorias retiradas do ar exterior.

É contra-intuitivo retirar calorias do ar frio

Pode parecer contra-intuitivo aquecer uma divisão utilizando a energia do ar exterior, quando está um frio de rachar no inverno (-10 / -15°C). E é precisamente no inverno que a sala precisa de ser mais aquecida.

Mas é importante lembrar que, qualquer que seja a temperatura do ar, ele continua a conter calorias que podem ser bombeadas para fora. Naturalmente, quanto mais frio e seco for o ar, menos calorias contém, razão pela qual as bombas de calor funcionam um pouco menos bem no inverno. Por outras palavras, consomem mais eletricidade para fornecer a mesma quantidade de aquecimento.

Este facto parece-nos naturalmente contra-intuitivo porque sabemos instintivamente que o calor flui sempre do ambiente mais quente para o mais frio. Sabe que se abrir a janela no Inverno a meio da noite, em breve estará a tremer, porque todo o calor da casa terá saído pela janela.

A magia da bomba de calor reside no facto de conseguir fazer o contrário! Por outras palavras, transfere o calor do ambiente mais frio para o mais quente. É daí que vem o termo "bomba de calor", porque o calor é bombeado do ambiente natural. Combate esta transição natural do quente para o frio, tal como uma bomba de poço consegue vencer a gravidade, deslocando a água do seu ponto mais baixo de energia potencial para um ponto mais alto de energia potencial.

Mais detalhes sobre o funcionamento da bomba de calor ar-água

Deveria ter compreendido intuitivamente o princípio da bomba de calor ar-água, lendo os dois primeiros parágrafos. Agora vamos entrar em mais detalhes. Qual é o mistério por detrás da capacidade da bomba de calor para inverter o princípio natural da transferência de calor?

O refrigerante: o condutor da orquestra da bomba de calor

A magia da bomba de calor deve-se em grande parte à propriedade dos refrigerantes de se evaporarem a temperaturas muito baixas, pelo que podem captar energia do ambiente natural mesmo no inverno.

Todos sabemos que a água, que é o fluido natural mais comum, se evapora a cerca de 100°C. Mas isto só se aplica em condições normais, ou seja, à pressão atmosférica de 1013 HPa. A água passa então de líquido a vapor e diz-se que se evapora. Esta reação de evaporação é dita endotérmica, o que significa que absorve uma quantidade de energia (calorias) do ambiente em que ocorre.

No entanto, se estivermos no topo do Monte Evereste, a pressão atmosférica não é a mesma: desce quase 3 vezes (cerca de 350HPa). A água evapora-se muito mais rapidamente, neste caso a partir de cerca de 70°C. Isto ilustra o facto de podermos controlar a pressão de um fluido e, assim, modular a sua temperatura de evaporação.

Podemos fazer rapidamente a ligação com a bomba de calor. Se pudermos modular a pressão do gás refrigerante de acordo com os nossos desejos, podemos evaporá-lo à temperatura que quisermos e, neste caso, queremos que se evapore à temperatura do ar exterior, de modo a captar o seu calor.

Tomemos o exemplo do gás refrigerante R32, que em breve será utilizado em todas as bombas de calor residenciais, uma vez que o R410A está a ser progressivamente eliminado (2025) e todos os fabricantes estão a bordo. A sua temperatura de ebulição (evaporação) é de -51,7°C à pressão atmosférica. Se estivermos na Sibéria, tudo bem, mas não estamos na Sibéria, por isso vamos ter de modular a pressão para que se evapore quando estiver a -6°C, por exemplo. Para isso, terá de subir até aos 6500HPa.

É por isso que, para além dos permutadores de calor (evaporador de ar + condensador de água), os sistemas de bombas de calor têm dois dispositivos que modulam a pressão do fluido. São eles o compressor e a válvula de expansão. Estes são colocados, respetivamente, depois e antes do evaporador e permitem regular de forma adaptada a pressão do gás para que, independentemente da temperatura exterior, o gás possa evaporar como deve e captar a quantidade máxima de calor (consoante a necessidade de aquecimento).

Caso especial da bomba de calor ar-água

Com uma bomba de calor de fonte de ar, o calor é recolhido do ar exterior no evaporador. No condensador, o refrigerante passa de um lado e a água do outro. A troca de calor ocorre através das paredes do permutador, não havendo, obviamente, qualquer contacto entre a água e o refrigerante.

Algumas marcas utilizam um permutador de calor de placas para fazer o condensador, enquanto outras utilizam um condensador coaxial, que é geralmente mais fiável e durável e requer menos manutenção.

No caso de uma bomba de calor split (unidades interiores e exteriores separadas), o condensador encontra-se no módulo interior. O refrigerante circula entre os módulos interior e exterior.

No caso de uma bomba de calor monobloco (tudo se encontra na unidade exterior), o condensador encontra-se no exterior da unidade e a água circula entre a unidade e o interior da casa. A água recupera o calor do condensador e troca-o com o depósito de reserva na sala técnica, através de um permutador.

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