Bomba de calor é uma tecnologia estratégica para a descarbonização

Seu uso é essencial na construção de cidades inteligentes e sustentáveis, contribuindo diretamente para a transição energética

A gestão eficiente do consumo de energia para aquecimento e resfriamento em edifícios e instalações industriais é um pilar fundamental para que os países alcancem suas metas globais de redução de carbono e sustentabilidade.

A eletrificação do aquecimento por meio de bombas de calor — especialmente quando alimentadas por eletricidade proveniente de fontes renováveis — desponta como uma tecnologia estratégica na descarbonização do setor industrial. Além disso, seu uso é essencial na construção de cidades inteligentes e sustentáveis, contribuindo diretamente para a transição energética e para a mitigação das mudanças climáticas.Todo e qualquer sistema que necessita de água quente, sendo ela para processo e ou climatização, comporta o uso de bombas de calor.

A contribuição de uma bomba de calor em sistemas de AVACR é ambiental, financeiro e para conservação dos recursos minerais.Uma bomba de calor é composta por quatro componentes principais: evaporador, compressor, condensador e dispositivo de expansão. Seu funcionamento é semelhante ao de um refrigerador, operando com base na compressão e expansão de um fluido de trabalho — o refrigerante — que circula por todo o sistema.

A bomba de calor mecânica, amplamente utilizada em aplicações industriais, utiliza esse ciclo termodinâmico para transferir calor de uma fonte de baixa temperatura para um meio de maior temperatura, promovendo aquecimento de forma eficiente.

O evaporador atua como trocador de calor entre a fonte térmica de baixa temperatura e o refrigerante. Essa fonte pode ser integrada a processos industriais que geram calor residual, como torres de resfriamento de sistemas de AVAC, ouexplorar fontes térmicas naturais, como ar ambiente, água do mar, rios, energia geotérmica e até efluentes tratados — todas já utilizadas em projetos reais.

Quando integrada a sistemas de AVACR, a bomba de calor permite otimizar o desempenho energético por meio da geração simultânea de aquecimento e resfriamento. Essa abordagem maximiza a eficiência operacional e contribui significativamente para a redução do consumo energético e das emissões de carbono.

Em países de clima tropical como o Brasil, a desumidificação para conforto térmico geralmente é realizada por meio do processo convencional de refrigeração. No entanto, em determinadas aplicações, é necessário o reaquecimento do ar para manter o sistema de refrigeração ativo e, assim, garantir a continuidade do processo de desumidificação. Esse cenário representa uma oportunidade de otimização energética por meio da geração simultânea de resfriamento e aquecimento.

A água ou fluido aquecido utilizado na desumidificação pode ser gerado de diferentes formas, dependendo da demanda térmica. Abaixo, alguns exemplos de soluções aplicadas:

– Bomba de calor conectada à descarga dos compressores da sala de máquinas é uma configuração que permite dupla funcionalidade. O lado frio da bomba de calor é conectado à descarga dos compressores, atuando parcialmente como um condensador e contribuindo para a redução da carga de condensação. Simultaneamente, o lado quente da bomba gera água quente para o processo de desumidificação.

– Bomba de calor conectada à água de condensação de chillers. Neste caso, a bomba de calor também opera com dupla funcionalidade, o lado frio é conectado ao circuito de condensação dos chillers, promovendo aumento de eficiência energética, e o lado quente é utilizado para gerar água quente destinada à desumidificação ou outros processos térmicos.

Ao conectar uma bomba de calor ao circuito de condensação de chillers é possível obter ganhos significativos de eficiência. O lado frio da bomba é acoplado à linha de condensação do chiller, contribuindo para a melhoria do coeficiente de performance (COP) do sistema de resfriamento. Simultaneamente, o lado quente da bomba é utilizado para gerar água quente, que pode ser utilizada em processos térmicos como desumidificação ou aquecimento de ambientes.

Para que o sistema opere de forma harmônica e eficiente, é essencial analisar o perfil de carga térmica e a simultaneidade de uso entre a demanda de resfriamento do chiller e a necessidade de aquecimento gerada pela bomba de calor. Esse equilíbrio é fundamental para garantir o máximo aproveitamento energético e evitar desperdícios ou sobrecargas operacionais.

Em ambientes industriais as bombas de calor podem atuar como fonte primária de geração de calor, substituindo caldeiras alimentadas por combustíveis fósseis. Essa substituição representa uma estratégia eficaz para descarbonização e aumento da eficiência energética.

No entanto, a decisão entre utilizar uma caldeira ou uma bomba de calor não é trivial. Ela deve ser orientada por uma análise abrangente de viabilidade econômica, pelas necessidades operacionais da planta e pelos requisitos de saúde, segurança e meio ambiente (HSE).

Fatores-chave na escolha da tecnologia:

– Aplicação e preferências do proprietário da planta: antes da aquisição, é essencial compreender as exigências específicas do local, como restrições quanto ao tipo de refrigerante, necessidade de redundância de capacidade ou limitações de espaço.

– Parâmetros financeiros: devem ser considerados aspectos como custo da energia, taxas internas de retorno, tempo de amortização, valor agregado do calor gerado e impacto no custo operacional total.

– Aspectos de HSE e sustentabilidade: a escolha do refrigerante deve levar em conta sua toxicidade, inflamabilidade, pressão de operação e impacto ambiental; além disso, a filosofia corporativa da empresa — especialmente em relação à sustentabilidade e responsabilidade ambiental — deve ser refletida na decisão.

Considerações econômicas

Embora o custo de capital de uma bomba de calor industrial seja, em geral, superior ao de uma caldeira, os tempos de retorno do investimento (payback) podem ser significativamente menores, especialmente quando há sinergia com fontes de energia renovável, como a matriz hidrelétrica brasileira. Isso torna essencial a realização de uma análise econômica detalhada, tanto para projetos novos quanto para retrofits em instalações existentes.

Na indústria as bombas de calorsãoutilizadas para a geração de água quente e vapor para processos de limpeza CIP (Clean-in-Place), pasteurização, secagem, cozimento e calefação de ambientes industriais.

Osprincipaisbenefíciosdestaaplicaçãosão:

– Financeiros: em regiões com predominância de energia hidrelétrica, o custo do kWh pode ser mais competitivo em comparação a fontes como lenha, gás ou óleo combustível.

– Ambientais: a substituição de caldeiras por bombas de calor alimentadas por eletricidade renovável pode resultar em reduções significativas nas emissões de CO₂, contribuindo para metas corporativas e regulatórias de sustentabilidade.

Considerações operacionais

Diferentemente das caldeiras, cuja potência térmica é diretamente controlada pela quantidade de combustível queimado, o desempenho de uma bomba de calor (HP) é determinado por um equilíbrio térmico entre as temperaturas da fonte fria e da fonte quente. Isso significa que sua eficiência energética está fortemente condicionada à temperatura da fonte térmica disponível e às exigências de temperatura do processo de aquecimento.

A eficiência de uma bomba de calor é expressa pelo COP (Coefficientof Performance), que representa a razão entre a energia térmica fornecida e a energia elétrica consumida. Em aplicações industriais, é comum encontrar bombas de calor com COP variando entre 3 e 6, dependendo das condições operacionais.

Por exemplo, uma bomba de calor com COP = 5 é capaz de fornecer 500% mais energia térmica do que a energia elétrica consumida — um desempenho significativamente superior ao de caldeiras de alta eficiência, que operam com rendimentos típicos de até 95%.

Além disso, quando a bomba de calor é integrada a sistemas com geração simultânea de resfriamento e aquecimento útil, é possível alcançar COP superior a dois dígitos, maximizando o aproveitamento energético e reduzindo drasticamente o consumo total de energia.