A bomba de calor ar-água: como funciona?

Este aparelho de aquecimento da moda, que é popular pela sua utilização de energia de ar renovável, permanece frequentemente um mistério quanto ao seu funcionamento. Ao ler este artigo irá compreender o princípio por detrás das bombas de calor ar-água.

Uma bomba de calor ar-água absorve calorias do ar exterior, graças ao carácter endotérmico da reacção de evaporação de um refrigerante. Distribui as calorias à água na rede doméstica graças à propriedade exotérmica da condensação do mesmo refrigerante.

A definição acima é a forma "complicada" de explicar, mas pode ser simplificada e quando é entendida pode ser explicada em detalhe

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

Analogia de frigoríficos

Todos nós temos um frigorífico em casa. Se quiser que funcione, é melhor deixar a porta fechada. A razão é simples e todos nós estamos intuitivamente cientes disso. É porque é necessário limitar o tamanho do volume a ser arrefecido. Só se quer arrefecer a comida no frigorífico.

Mas o que acontece se se abrir a porta do frigorífico? Pode imaginar que a comida vai aquecer no ar. O frigorífico ainda está a funcionar porque não sabe que a porta está aberta. Portanto, sem o saber, tenta arrefecer um volume demasiado grande para o seu pequeno compressor, tenta arrefecer toda a sala.

O resultado é que o seu pequeno compressor está sempre a funcionar. Olha para o set point que tem de atingir, e até lá chegar, continua a avançar. E o condensador na parte de trás do seu frigorífico está a funcionar em plena capacidade. Condensa, condensa, por isso aquece porque a condensação é uma reacção que liberta calor (exotérmica).

O seu frigorífico tornou-se um aquecedor: tem na sua frente o volume da sala a ser arrefecido quando a sua porta está aberta. Para ele é quase infinito e impossível de arrefecer. Por isso, corre em loop e aquece por condensação.

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

Contra-intuitivo para tirar calorias do ar frio

Pode parecer contra-intuitivo aquecer uma sala utilizando energia do ar exterior, quando está super frio lá fora no Inverno (-10 / -15°C). E é precisamente no Inverno que deve aquecer mais.

Mas deve saber que qualquer que seja a temperatura do ar, ainda contém calorias que podem ser bombeadas para fora. Claro que, quanto mais frio e seco for, menos calorias contém, e é por isso que as bombas de calor funcionam um pouco menos bem no Inverno. Ou seja, utilizam mais electricidade 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 é ter sucesso na passagem oposta! Ou seja, a passagem de calor do ambiente mais frio para o mais quente. É daqui que vem o termo "bomba de calor", uma vez que o calor é bombeado para o ambiente natural. Combate esta transição natural de quente para frio, tal como uma bomba de poço consegue ultrapassar a gravidade movendo a água do seu ponto energético potencial mais baixo para um ponto energético potencial mais alto.

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 agente refrigerante: o condutor da bomba de calor

A magia da bomba de calor deve-se em grande parte à propriedade dos refrigerantes de evaporar a temperaturas muito baixas e assim captar energia do ambiente natural mesmo no Inverno.

Todos sabemos que a água, que é o fluido natural mais comum, evapora cerca de 100°C. Mas isto só é válido sob condições padrão, ou seja, à pressão atmosférica 1013 HPa. Passa então de um estado líquido a um estado de vapor e diz-se que se evapora. Diz-se que esta reacção de evaporação é endotérmica, ou seja, absorve uma quantidade de energia (calorias) do ambiente em que tem lugar.

No entanto, se estiver no topo do Monte Evereste, a pressão atmosférica não é de todo a mesma: diminui quase 3 vezes (cerca de 350HPa). A água evapora muito mais rapidamente, neste caso a partir de cerca de 70°C. Isto ilustra o facto de que a pressão de um fluido pode ser influenciada e assim a sua temperatura de evaporação pode ser modulada.

Isto pode ser rapidamente comparado com a bomba de calor. Se pudermos modular a pressão do gás refrigerante de acordo com os nossos desejos, então podemos evaporá-lo à temperatura que quisermos, e neste caso queremos que ele evapore à temperatura do ar exterior, a fim de captar o seu calor.

Tomemos o exemplo do gás refrigerante R32, que em breve estará em todas as bombas de calor residenciais, uma vez que o R410A está a avançar lentamente para uma proibição programada (2025) e todos os fabricantes começaram a utilizá-lo. 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, então teremos de modular a pressão para que ela se evapore quando estiver a -6°C, por exemplo. Para tal, terá de subir para 6500HPa.

É por isso que nos sistemas de bomba de calor, para além dos permutadores de calor (evaporador no ar + condensador na água), existem dois dispositivos que permitem modular a pressão do fluido. Estes são o compressor e a válvula de expansão. Estes são colocados respectivamente depois e antes do evaporador e permitem criar uma regulação adaptativa da pressão do gás para que, qualquer que seja a temperatura exterior, o gás possa evaporar como deve e captar a quantidade máxima de calorias (de acordo com a necessidade de aquecimento)

Caso especial da bomba de calor ar-água

Para uma bomba de calor aerotérmica, as calorias são capturadas do ar exterior, no evaporador. São devolvidos à rede de água doméstica através de um condensador de água, no qual o refrigerante passa de um lado e a água do outro. A troca de calor ocorre através das paredes do permutador, e é claro que não há contacto entre a água e o líquido 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 dividida (unidades separadas para interior e exterior), 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 está na unidade exterior), o condensador está 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 tanque tampão na sala técnica, por meio de um permutador.

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