Bombas de calor proporcionam alta eficiência em sistemas de AVACR

Reaquecimento do ar por bomba de calor alcança um COP superior a 3 ou até 4 kW/kW, 3 ou 4 vezes mais eficiente do que resistências elétricas

As bombas de calor podem ser aplicadas em qualquer demanda residencial, comercial ou industrial que exija aquecimento para conforto térmico ou água quente até 120°C. Estabelecemos 120°C, pois é a temperatura que conseguimos atender com bombas de calor água/água, a um custo-benefício que justifica o investimento atualmente. Em outras palavras, aplicações de água quente para consumo, sistemas de conforto térmico e controle de umidade, bem como diversos processos industriais, podem ser tranquilamente atendidos por bombas de calor.

Controle eficiente de umidade

Em sistemas de AVAC para conforto ou controle de umidade, podemos aplicar bombas de calor água-ar ou água-água com o objetivo de elevar a temperatura de insuflamento do ar em momentos de temperatura externa muito baixa ou quando é necessário reduzir a temperatura na serpentina de resfriamento para desumidificar o ar. Posteriormente, é necessário elevar a temperatura para insuflar o ar em condições adequadas, a fim de atender a demanda do ambiente.

Sistemas que demandam controle de umidade precisam resfriar o ar até o seu ponto de orvalho, que é a temperatura na qual a umidade é retirada do ar em forma de condensado quando em contato com uma superfície fria. Ao retirar a umidade do ar, a serpentina de resfriamento também reduz significativamente a temperatura do ar, tornando necessário o seu reaquecimento para que seja insuflado em condições adequadas, atendendo aos parâmetros de projeto do ambiente e proporcionando conforto aos ocupantes. O reaquecimento do ar, geralmente, é realizado por meio de uma resistência elétrica ou de uma serpentina de água quente.

É muito comum observarmos a aplicação de resistências elétricas para reaquecimento, pois o custo de implantação é reduzido e a instalação é bastante simples. No entanto, o COP (Coeficiente de Performance) das resistências elétricas, na melhor das hipóteses, será de 1 kW/kW. Ou seja, para gerar 1 kW de aquecimento, é consumido 1 kW de energia elétrica, tornando o sistema pouco eficiente.

Se aplicarmos uma serpentina de água quente para reaquecer o ar e gerarmos essa água quente através de bombas de calor, conseguimos facilmente atingir um COP de aquecimento superior a 3 ou até mesmo 4 kW/kW, ou seja, 3 ou 4 vezes mais eficiente do que a solução com resistências elétricas. Essa é uma excelente alternativa para projetos que buscam alta eficiência energética e redução de custos operacionais.

Reaproveitamento de calor

Em uma instalação com chillers de condensação a água, a água de condensação nada mais é do que energia térmica retirada do sistema de água gelada e transferida para o refrigerante do chiller e, posteriormente, para a água de condensação. Essa energia térmica geralmente é dissipada para o ambiente através de torres de resfriamento ou dry coolers. Em um empreendimento que demanda água gelada e água quente de forma simultânea e utiliza chillers de condensação a água para gerar água gelada, é possível reaproveitar essa energia térmica, que está sendo desperdiçada para o ambiente através das torres ou dry coolers, como fonte de calor para uma bomba de calor gerar água quente. A bomba de calor é um equipamento que retira energia térmica de uma fonte mais fria através do seu evaporador e “bombeia” essa energia através do ciclo de refrigeração, gerando água quente através do seu condensador.

Dessa forma, ao aplicar uma bomba de calor água-água em série com o condensador de um chiller de condensação a água, é possível resfriar essa água de condensação e devolvê-la ao chiller em uma temperatura adequada, aliviando a operação da torre de resfriamento ou do dry cooler. Isso resulta em economia de energia devido à redução da demanda do ventilador da torre e na diminuição do consumo de água, visto que a operação da torre será reduzida e a perda por evaporação também.

Em aplicações com chillers a ar, pode-se utilizar como fonte de energia térmica a própria água gelada do sistema, captando o retorno da água gelada a uma temperatura mais elevada e devolvendo essa água a uma temperatura mais fria para o sistema de água gelada. Utilizando o mesmo princípio descrito anteriormente, gera-se água quente no condensador da bomba de calor.

Para realizar um projeto que aplique uma bomba de calor água-água, é necessário contar com um profissional capacitado e conhecer a fundo a operação do cliente, entendendo a simultaneidade de carga e avaliando possíveis impactos caso não haja essa simultaneidade.

Aplicações industriais podem variar desde sistemas de controle de umidade, sistemas de aquecimento de ar para processos específicos, até o aquecimento de água para processos de CIP, aquecimento de tanques, reatores, entre outros. Os benefícios das bombas de calor para aquecimento de água são válidos para qualquer aplicação e estão diretamente ligados à eficiência energética e à redução ou eliminação do uso de combustíveis fósseis. Por exemplo, um processo industrial que demanda água quente a 90°C para limpeza pode aquecer a água através de um boiler elétrico muito ineficiente (COP de 1 kW/kW) ou queimando algum combustível fóssil para gerar calor. Ao utilizar uma bomba de calor para gerar a água quente, a eficiência será superior à de um boiler elétrico e eliminará a necessidade de queima de combustíveis fósseis, se comparado com um aquecedor a gás, por exemplo.

Considerando que a energia elétrica no Brasil possui um alto percentual de produção utilizando fontes renováveis e tem um custo relativamente baixo em comparação com o custo dos combustíveis fósseis, eletrificar o aquecimento significa reduzir consideravelmente o custo operacional e diminuir ou até mesmo eliminar as emissões diretas de CO₂e.

Rendimento de uma bomba de calor

Diferentemente dos chillers, que geralmente operam em condições bastante próximas de um padrão, com água gelada entre 7°C e 12,5°C, e condensação entre 29,5°C e 35°C, as bombas de calor podem variar significativamente suas condições de operação tanto no evaporador quanto no condensador, dependendo do tipo de sistema em que serão utilizadas.

Por exemplo, uma bomba de calor água-água que utiliza como fonte de energia a água gelada em condições de 7°C a 12,5°C e gera água quente para um processo a 70°C terá um COP de aquecimento em torno de 2.8 kW/kW. Ao mesmo tempo em que gera água quente, rejeitará água gelada para o sistema com um COP de cerca de 1.8 kW/kW, resultando em um COP agregado de aproximadamente 4.6 kW/kW.

Outro exemplo é a aplicação de uma bomba de calor água-água utilizando como fonte de calor a água de condensação de um chiller com temperatura a 35°C, gerando água quente para um sistema de reaquecimento para controle de umidade com água a 50°C. Nessa condição, o COP de aquecimento será de cerca de 5.9 kW/kW e o COP de resfriamento será de cerca de 4.9 kW/kW, resultando em um COP agregado superior a 10. Note que, neste caso, a geração de água fria terá como objetivo aliviar a operação da torre e não será consumida diretamente pelo sistema de AVAC.

Em resumo, o COP de uma bomba de calor varia de acordo com a sua tecnologia e as respectivas temperaturas de operação. Quanto menor o lift (diferencial de pressão) entre o evaporador e o condensador, menor será a demanda de trabalho para o compressor, resultando em um menor consumo de energia.

O mesmo conceito se aplica às bombas de calor água-ar: quanto mais elevada a temperatura da água ou mais baixa a temperatura ambiente, menor será a eficiência do equipamento.