O anti-frigorífico: como funciona uma bomba de calor?
Introdução: A estrela da tecnologia de aquecimento
As bombas de calor têm surgido recorrentemente na comunicação social nos últimos anos e são especialmente interessantes para proprietários de habitação. As bombas de calor modernas são eficientes, silenciosas e, sobretudo, sustentáveis.
Números impressionantes
- Em vários países europeus, incluindo Portugal, mais de metade das novas moradias unifamiliares já prevê uma bomba de calor como fonte principal de aquecimento
- O volume de negócios mundial deverá atingir em 2024 cerca de 70 mil milhões de dólares norte‑americanos
- O princípio de funcionamento foi descoberto já no século XVII
- O primeiro sistema de piso radiante com bomba de calor foi instalado em 1968
Porque é que estão a crescer tanto?
Os principais fatores que impulsionam as bombas de calor são:
- Preços elevados da energia de origem fóssil
- Maior consciência ambiental
- Progresso tecnológico
- Combinação com energia solar permite aquecimento com emissões de CO₂ muito reduzidas
Em Portugal, este desenvolvimento é apoiado por programas públicos como o Programa de Apoio a Edifícios Mais Sustentáveis (Fundo Ambiental), que subsidia a instalação de bombas de calor, isolamento térmico e sistemas solares, bem como pelo Plano de Recuperação e Resiliência (PRR) em intervenções de reabilitação energética.
Bomba de calor e frigorífico: parentes muito próximos
Bombas de calor e frigoríficos são, na realidade, parentes muito próximos – quase como irmãos. Porque é que estes equipamentos se assemelham tanto, apesar de terem sido desenvolvidos para funções aparentemente opostas?
À primeira vista, parecem cumprir tarefas contrárias – mas um olhar “debaixo do capot” revela semelhanças surpreendentes:
| Equipamento | Retira calor de | Liberta calor para |
|---|---|---|
| Frigorífico | Interior do frigorífico | Ambiente (parte traseira) |
| Bomba de calor | Ambiente | Interior do edifício (sistema de aquecimento) |
O princípio de funcionamento é idêntico – apenas o objetivo é invertido!
Fundamentos físicos
Para compreender as bombas de calor, é necessário esclarecer primeiro dois conceitos:
- Estados físicos (estados de agregação)
- Transferência de calor
A física dos estados físicos
Sólido, líquido e gasoso – estes três estados físicos estão presentes em todo o lado. Mas o que é exatamente um estado físico?
Definição: É o estado atual ou forma de apresentação da matéria, determinado pelo movimento das partículas.
Lei fundamental da natureza: Com o aumento da temperatura, as partículas movem‑se mais depressa e com maior amplitude.
As propriedades dos três estados físicos diferem de forma marcante:
| Estado físico | Movimento das partículas | Estrutura |
|---|---|---|
| Sólido | Vibram em torno de uma posição fixa | Estrutura ordenada |
| Líquido | Movem‑se, mas mantêm‑se próximas | Parcialmente ordenada |
| Gasoso | Movem‑se livremente | Sem estrutura definida |
Importante: A passagem de um estado para outro exige absorção ou cedência de energia. É precisamente isso que a bomba de calor explora!
As duas leis principais da termodinâmica
A ciência do calor – a termodinâmica – assenta em duas regras fundamentais:
1.ª Lei: Conservação de energia
A energia não pode ser criada nem destruída. Só pode ser transformada de uma forma noutra.
Exemplos:
- Energia elétrica → calor (aquecimento elétrico)
- Energia química → calor (combustão num fogão ou lareira)
2.ª Lei: Sentido natural do fluxo de calor
O calor desloca‑se sempre do corpo mais quente para o mais frio.
A natureza tende sempre para um equilíbrio energético.
Exemplo de uma lareira: O calor abandona a lareira quente e aquece a divisão fria – nunca o contrário.
As três formas de transferência de calor
O calor pode deslocar‑se de um local para outro de diferentes maneiras:
| Tipo | Descrição | Exemplo |
|---|---|---|
| Condução (condução de calor) | Contacto direto entre materiais | Mão sobre um radiador |
| Convecção (corrente de convecção) | Transporte de calor por gases/líquidos em movimento | Ar quente que sobe |
| Radiação | Ondas eletromagnéticas | Calor do sol |
Condução (condução de calor)
As partículas mais rápidas do material quente chocam com as partículas mais lentas do material frio. Assim, o calor transfere‑se por contacto direto.
Convecção (corrente de convecção)
O ar quente tem menor densidade e sobe. Leva o calor consigo e transporta‑o para outro local.
Ciclo:
- O ar é aquecido → densidade diminui → sobe
- No topo, o ar arrefece → densidade aumenta → desce
- Em baixo, é novamente aquecido → o ciclo repete‑se
Radiação térmica
Ondas eletromagnéticas na gama do infravermelho. Não necessita de meio material para se propagar – por isso é que o calor do sol nos chega através do vácuo do espaço.
O princípio de funcionamento da bomba de calor
A bomba de calor “bombeia” calor de um local para outro – tal como uma bomba de água transporta água.
A ideia de base
A bomba de calor:
- Retira calor do ambiente (mesmo com ar frio!)
- Eleva esse calor a uma temperatura mais alta através de compressão
- Transfere o calor para o sistema de aquecimento
Mas como se obtém calor de ar frio?
O segredo está no fluido frigorigéneo – um fluido especial que evapora a temperaturas muito baixas, absorvendo calor nesse processo.
O ciclo em quatro fases
Fase 1: Evaporação (absorção de calor)
- O fluido frigorigéneo líquido percorre o evaporador (permutador de calor)
- Um ventilador aspira o ar exterior
- Mesmo o ar frio contém energia térmica
- O fluido frigorigéneo absorve esse calor e evapora (passa a gasoso)
Fase 2: Compressão (aumento de temperatura)
- O fluido frigorigéneo gasoso entra no compressor
- O compressor comprime mecanicamente o gás
- Com a compressão, aumentam o pressão e a temperatura
- O fluido frigorigéneo atinge agora uma temperatura útil para aquecimento
Fase 3: Condensação (cedência de calor)
- O gás quente e comprimido segue para o condensador (segundo permutador de calor)
- O calor é transferido para a água de aquecimento
- O fluido frigorigéneo condensa (volta a líquido)
- A água aquecida alimenta o piso radiante ou os emissores (radiadores, ventilo‑convectores, etc.)
Fase 4: Expansão (redução de pressão)
- O fluido frigorigéneo líquido ainda se encontra a pressão elevada
- A válvula de expansão provoca uma forte queda de pressão
- A pressão baixa → a temperatura desce
- O fluido frigorigéneo regressa ao seu estado inicial
E o ciclo recomeça!
Resumo das fases
As quatro fases do ciclo da bomba de calor podem ser resumidas da seguinte forma:
| Fase | Componente | Processo | Estado físico |
|---|---|---|---|
| 1 | Evaporador | Absorção de calor | Líquido → Gasoso |
| 2 | Compressor | Aumento de pressão | Gasoso (quente) |
| 3 | Condensador | Cedência de calor | Gasoso → Líquido |
| 4 | Válvula de expansão | Redução de pressão | Líquido (frio) |
Nenhuma violação das leis da física!
À primeira vista, parece que a bomba de calor viola a segunda lei da termodinâmica: o calor fluiria do frio (ar exterior) para o quente (água de aquecimento).
A explicação: É fornecida energia (eletricidade para o compressor) para inverter o sentido natural do fluxo de calor. O sistema, no seu conjunto, respeita totalmente as leis da natureza.
O “truque”
- O fluido frigorigéneo é mais frio do que o ar exterior → o calor flui para dentro do fluido (fisicamente correto)
- Após a compressão, o fluido frigorigéneo fica mais quente do que a água de aquecimento → o calor flui para a água (fisicamente correto)
A bomba de calor não cria energia a partir do nada – apenas a transporta e transforma de forma muito eficiente.
Vantagens e desvantagens das bombas de calor
Vantagens
As bombas de calor oferecem várias vantagens face aos sistemas de aquecimento convencionais:
| Vantagem | Explicação |
|---|---|
| Elevada eficiência | A partir de 1 kWh de eletricidade obtêm‑se 3–5 kWh de calor |
| Mais amigas do ambiente | Sem emissões diretas de CO₂ no local de consumo |
| Custos de exploração reduzidos | Mais económicas do que gás ou gasóleo de aquecimento |
| Longa vida útil | Cerca de 15–25 anos |
| Baixa necessidade de manutenção | Sem combustão = menor desgaste |
| Sem armazenamento de combustível | Não necessita de depósito de gasóleo nem de abastecimento de gás |
| Apoios financeiros | Em Portugal existem subsídios públicos para a instalação |
Em Portugal, por exemplo, o Fundo Ambiental tem aberto várias fases do Programa de Apoio a Edifícios Mais Sustentáveis, que comparticipa:
- Bombas de calor para aquecimento ambiente e AQS
- Isolamento térmico de paredes, coberturas e pavimentos
- Janelas eficientes
- Sistemas solares térmicos e fotovoltaicos
Os apoios são normalmente a fundo perdido, com percentagens de comparticipação que podem ir, em muitos casos, até cerca de 70% do investimento elegível, dentro de limites máximos por medida e por edifício. Existem ainda incentivos específicos no âmbito do PRR para reabilitação energética de edifícios residenciais e de serviços.
Desvantagens
Apesar das muitas características positivas, há também aspetos a ponderar:
| Desvantagem | Explicação |
|---|---|
| Investimento inicial elevado | Tipicamente 10.000–25.000 € consoante o tipo e a obra necessária |
| Dependência da eletricidade | Necessita de energia elétrica para funcionar |
| Eficiência reduzida com frio intenso | Menos eficiente com temperaturas exteriores muito baixas |
| Ruído | A unidade exterior pode ser audível, exigindo boa implantação |
| Temperaturas de ida mais baixas | Não é ideal para todos os sistemas de radiadores antigos |
| Necessidade de espaço | Unidade exterior e, em alguns casos, sondagens ou captação no solo |
Enquadramento em Portugal: normas, regulamentos e certificação
Embora o princípio físico seja universal, o enquadramento técnico e legal varia de país para país. Em Portugal, são relevantes os seguintes aspetos:
Normas técnicas e cálculo de desempenho
- O dimensionamento térmico dos edifícios e das instalações de climatização segue as normas europeias, como a EN 12831 (cálculo de cargas térmicas de aquecimento) e a EN ISO 6946 (cálculo de coeficientes de transmissão térmica – valores U), adotadas como NP EN 12831 e NP EN ISO 6946 pelo IPQ – Instituto Português da Qualidade.
- Para o desempenho sazonal de bombas de calor utilizam‑se normas como a EN 14511 e a EN 14825, que definem condições de ensaio e métodos de cálculo do COP/SCOP. Em Portugal, estas normas são igualmente transpostas como normas NP EN.
- O projeto de sistemas de climatização deve respeitar o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços (RECS) e o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH), integrados no Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), gerido pela ADENE.
Regulamentação energética dos edifícios
Em Portugal, o desempenho energético dos edifícios é regulado pelo Decreto‑Lei n.º 101‑D/2020, que estabelece:
- Requisitos mínimos de isolamento térmico (valores U máximos para paredes, coberturas, pavimentos e envidraçados), que variam consoante a zona climática.
- Exigências de eficiência para sistemas técnicos (aquecimento, arrefecimento, AQS, ventilação).
- Obrigações de utilização de energias renováveis em edifícios novos e grandes reabilitações, nomeadamente para a produção de Água Quente Sanitária (AQS).
Certificação energética e rotulagem
- Todos os edifícios novos, bem como os existentes quando são vendidos ou arrendados, necessitam de um Certificado Energético, emitido no âmbito do SCE por peritos qualificados.
- As bombas de calor e outros equipamentos de climatização colocados no mercado europeu devem exibir a etiqueta energética da UE, com classes de eficiência (por exemplo, A+++ a D) e informação sobre consumo anual, potência e nível sonoro.
- Em Portugal, esta etiqueta é obrigatória na venda de equipamentos ao consumidor final, em conformidade com os regulamentos europeus de conceção ecológica (Ecodesign) e rotulagem energética.
Conclusão
Ideia principal: As bombas de calor utilizam princípios físicos simples, mas muito engenhosos, para captar calor do ambiente e elevá‑lo a um nível de temperatura útil. O ciclo de evaporação, compressão, condensação e expansão permite obter calor de aquecimento mesmo a partir do ar frio de inverno.
Que componentes concretos entram em jogo e como interagem é explicado no artigo Os componentes: permutador de calor, compressor e válvula de expansão.
Série completa de artigos sobre bombas de calor
- O anti-frigorífico: como funciona uma bomba de calor? – Está aqui
- Os componentes: permutador de calor, compressor e válvula de expansão – Componentes
- Indicadores e dimensionamento de bombas de calor – COP, JAZ e mais
- Modos de funcionamento: monovalente, bivalente e híbrido – Modos de operação
- Tipos de bombas de calor e a “equipa de sonho” com sistemas solares – Ar‑água, solo‑água & solar
Fontes
- Eurostat / relatórios setoriais: Bombas de calor em edifícios novos na UE
- Mordor Intelligence: Heat Pumps Market
- Heizung.de: Geschichte der Wärmepumpe
- LEIFIphysik: Wärmetransport
- Chemie.de: Thermodynamik
- Decreto‑Lei n.º 101‑D/2020 – Desempenho energético dos edifícios
- ADENE – Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE)
- Fundo Ambiental – Programa de Apoio a Edifícios Mais Sustentáveis
Calcular agora a JAZ (fator de desempenho anual)
Com o nosso simulador de bombas de calor pode estimar a JAZ – Fator de Desempenho Anual da sua bomba de calor, incluindo custos de exploração e balanço de CO₂. Em Portugal, o desempenho sazonal é normalmente avaliado com base nas normas europeias EN 14511 e EN 14825, que estão alinhadas com os requisitos do SCE.