As bombas de calor são consideradas a tecnologia-chave na transição para um aquecimento sustentável e para a produção de água quente sanitária em edifícios. Funcionam extraindo calor de uma fonte de baixa temperatura (através da evaporação de um refrigerante) e transferindo-o para um reservatório de alta temperatura (através da condensação), utilizando eletricidade para alimentar um compressor. Para mais detalhes, consulte o artigo anterior do blog: “Bombas de calor e circuitos de refrigeração”. Para simplificar, as bombas de calor reversíveis não são consideradas nesta discussão.

Um dos sistemas mais amplamente adotados em edifícios é a bomba de calor de fonte de ar, que utiliza um permutador de calor com aletas para captar calor do exterior.

1. Qual é o principal problema das bombas de calor de fonte de ar?

O desempenho de uma bomba de calor de fonte de ar é altamente influenciado pelas variações de temperatura e humidade do ar exterior, tanto ao longo das estações como nos ciclos diários.

Em particular, o desempenho tende a diminuir durante períodos de baixas temperaturas exteriores, uma vez que essas condições reduzem a temperatura de evaporação do refrigerante. Isto é especialmente crítico durante as manhãs de inverno, quando as temperaturas exteriores estão geralmente mais baixas e a procura de aquecimento é mais elevada.

Além disso, uma combinação de temperaturas exteriores frias e elevada humidade relativa pode levar à formação de gelo entre as aletas do evaporador. O gelo atua como isolante térmico, dificultando a transferência de calor e reduzindo a eficiência do evaporador e, consequentemente, o desempenho da bomba de calor de fonte de ar. Para manter uma elevada eficiência do evaporador, são necessários ciclos de descongelação, que aumentam o consumo de energia e interrompem temporariamente o fornecimento de calor ao utilizador.

Para mitigar as limitações impostas pelas condições do ar exterior ao desempenho das bombas de calor de fonte de ar, uma solução possível é recorrer a fontes alternativas de calor renovável, como o solo ou a radiação solar.

2. Bombas de calor de fonte geotérmica (solo)

As bombas de calor geotérmicas utilizam o solo como fonte de calor de baixa temperatura, através de permutadores de calor enterrados. Como resultado, são muito menos afetadas pelas variações de temperatura do ar exterior, já que a temperatura do solo se mantém praticamente constante ao longo do dia e das estações, especialmente a maiores profundidades. Assim, em comparação com as bombas de calor de fonte de ar, os sistemas geotérmicos podem fornecer aquecimento mais estável e com melhor desempenho. O permutador de calor pode ser instalado em perfurações verticais ou em trincheiras horizontais. As instalações horizontais requerem uma área de terreno maior mas apenas alguns metros de profundidade, enquanto as verticais requerem menos área de superfície mas envolvem perfuração a maiores profundidades.

Vantagens:

• Desempenho superior em relação às bombas de calor de fonte de ar, especialmente em climas frios.

• Custos operacionais mais baixos.

• Sem problemas de formação de gelo no permutador de calor.

• Sem unidade exterior ruidosa.

• Pode fornecer arrefecimento no verão com operação de ciclo reverso.

Desvantagens:

• Requer uma grande área para o permutador de calor.

• Instalação complexa e demorada.

• Custo de instalação elevado.

• Período de retorno do investimento longo, geralmente superior a 15 anos em comparação com bombas de calor de fonte de ar.

3. Bombas de calor de fonte solar

As bombas de calor de fonte solar aproveitam o calor da radiação solar e, em menor grau, da temperatura do ar, através de coletores solares térmicos. Uma alternativa inovadora aos coletores térmicos são os coletores fotovoltaico-térmicos (PV-T), que podem gerar simultaneamente energia elétrica e térmica no mesmo espaço. Embora os coletores PV-T tenham menor eficiência térmica do que os coletores solares térmicos, o efeito de arrefecimento do fluido de trabalho nas células PV ajuda a melhorar a sua produção elétrica.

Vantagens:

• Melhor desempenho do que bombas de calor de fonte de ar, especialmente em dias de sol.

• Menor custo operacional.

• Sem problemas de formação de gelo no permutador de calor.

• Sem unidade exterior ruidosa.

Desvantagens:

• Desempenho reduzido em dias nublados, à noite ou em latitudes elevadas.

• Necessidade de grande área para instalação dos painéis solares.

• Instalação complexa e demorada.

• Custo de instalação elevado.

• No verão, é necessário gerir a temperatura para evitar sobreaquecimento dos coletores.

4. Como projetar uma bomba de calor que utilize uma fonte renovável?

Ao projetar uma bomba de calor geotérmica ou solar, são possíveis duas configurações principais do sistema: expansão indireta e expansão direta.

a) Expansão indireta

O refrigerante não circula diretamente no permutador de calor que absorve o calor da fonte renovável. Em vez disso, um fluido secundário (tipicamente uma mistura de água e glicol) circula no permutador de calor, absorvendo o calor e transferindo-o para o refrigerante através de um permutador de calor intermédio. Esta configuração é amplamente utilizada e facilita a gestão do sistema – por exemplo, permite a integração de tanques de acumulação térmica para melhorar a flexibilidade. No entanto, provoca perdas térmicas e implica custos de instalação mais elevados devido aos componentes adicionais.

b) Bomba de calor de expansão direta

O refrigerante circula diretamente no permutador de calor em contacto com a fonte renovável, absorvendo calor e evaporando. Em comparação com os sistemas indiretos, esta configuração reduz os custos de instalação, melhora o desempenho energético ao evitar perdas intermédias, diminui o risco de corrosão e congelação devido ao fluido secundário, e reduz os custos operacionais. No entanto, os sistemas de expansão direta exigem uma gestão precisa da carga de refrigerante e um design cuidadoso para garantir um funcionamento seguro e eficiente.

5. Bomba de calor de múltiplas fontes

Uma solução promissora para ultrapassar as limitações dos sistemas de fonte única é a utilização de bombas de calor de múltiplas fontes, que podem explorar diferentes fontes de energia de baixa temperatura através de evaporadores distintos, melhorando assim o desempenho global do sistema. As configurações duplas mais comuns são ar-solo ou solar-ar, em que as fontes são usadas alternadamente. No entanto, para alternar eficazmente entre as fontes e operar sempre com a mais vantajosa, o sistema deve incluir um controlador inteligente capaz de monitorizar e prever continuamente o desempenho da bomba de calor em resposta às condições ambientais e operacionais dinâmicas. Ainda assim, a operação alternada nem sempre atinge o desempenho máximo potencial das duas fontes. Uma abordagem alternativa é a utilização simultânea de ambas as fontes, integrando dois evaporadores no circuito de refrigerante. Esta configuração pode ser implementada de duas formas principais, com base na disposição dos evaporadores:

• Configuração em paralelo: o caudal mássico do refrigerante é dividido entre os dois evaporadores.

• Configuração em série: o refrigerante passa sequencialmente por ambos os evaporadores, um após o outro.

A utilização simultânea de duas fontes de calor aumenta a flexibilidade e versatilidade do sistema. Mesmo uma área limitada de coletores geotérmicos ou solares (e, portanto, um investimento reduzido) pode melhorar significativamente o desempenho quando combinada com um sistema de fonte de ar, tornando as bombas de calor de múltiplas fontes uma solução viável para aumentar a eficiência em ambientes com espaço limitado ou variáveis.

6. Conclusões

O principal desafio no desenvolvimento de bombas de calor com desempenho cada vez mais elevado será o aproveitamento de fontes de calor renováveis como a energia solar e geotérmica, procurando um equilíbrio entre complexidade e versatilidade do sistema, custos de instalação e manutenção, e estratégias de controlo. A investigação continua e, com sorte, veremos cada vez mais bombas de calor com fontes renováveis no mercado.

Referências:

• Riccardo Conte, Emanuele Zanetti, Marco Tancon, Marco Azzolin, Sergio Girotto, Davide Del Col. The advantage of running a direct expansion CO₂ heat pump with solar-and-air simultaneous heat sources: experimental and numerical investigation. Applied Energy, 2024. Vol. 369, página 123478. DOI

• Riccardo Conte, Marco Tancon, Mohammad Mozafarivanani, Emanuele Zanetti, Marco Azzolin, Davide Del Col. Investigation on a direct expansion multisource carbon dioxide heat pump to maximize the use of renewable energy sources. Applied Thermal Engineering, 2025. Vol. 274, página 126533. DOI