Como uma bomba de calor entrega mais calor do que a eletricidade que gasta?

Calor do nada?

Esta caixa parece criar calor do nada. Entra uma unidade de eletricidade e saem umas três de calor. Mas nada é criado: a energia que falta está à vista, no ar frio lá fora. Siga o fluido por quatro peças, e o calor extra deixa de ser mistério.

Aquecedores que produzem calor

Comecemos pelo aquecedor que todo mundo entende. Um aquecedor elétrico passa corrente por um fio resistivo, que transforma essa energia em calor. Entra uma unidade, sai uma de calor, e o fio sozinho não dá mais que isso. Uma caldeira a gás queima combustível, e seu calor nunca passa da energia desse combustível.

As duas fabricam calor. Uma bomba de calor quase só move calor que já existe.

O ar frio ainda tem calor

Tudo que está acima do zero absoluto guarda energia térmica. O zero absoluto fica em uns duzentos e setenta e três graus negativos. O ar a zero grau, que congela as mãos, ainda está muito acima desse piso. O problema é que o calor sozinho só vai do quente ao frio.

Para levar calor do ar frio a uma sala quente, algo precisa empurrá-lo morro acima. Esse empurrão é o que a eletricidade realmente paga.

Um líquido que ferve abaixo de zero

O fluido de uma bomba de calor se chama refrigerante. Ele é escolhido porque ferve abaixo de zero grau. Um refrigerante comum, o R trinta e dois, ferve a uns cinquenta e dois graus negativos na pressão atmosférica. Ferver absorve calor, como a água fervendo absorve energia do fogão sem esquentar mais.

Se na serpentina externa o refrigerante está mais frio que o ar, ferve e tira calor dele. Um ventilador sopra ar externo na serpentina para o calor continuar chegando.

O compressor

Agora o refrigerante é vapor frio de baixa pressão, carregando esse calor. É no compressor que a eletricidade trabalha. Ele aperta o vapor num volume menor, e esse trabalho sobe sua pressão e temperatura. Ao sair, o vapor está mais quente que a sala.

Esse é o empurrão morro acima, feito com trabalho elétrico.

O calor é liberado dentro de casa

O vapor quente vai à serpentina interna. Mais quente que o ar da sala, ele solta calor sozinho. Ao ceder calor, o refrigerante volta a ser líquido. Um ventilador ou um circuito de água leva o calor aos cômodos, por grelhas, radiadores ou piso.

A válvula de expansão

O líquido segue em alta pressão: falta uma etapa. Uma válvula de expansão o passa por uma abertura estreita para a baixa pressão. A queda brusca de pressão o esfria muito. Frio de novo, volta à serpentina externa, mais frio que o ar.

E o ciclo se repete enquanto o sistema funciona.

De onde vêm as três unidades

Agora as contas fecham. De cada três unidades de calor entregues, uma entrou como eletricidade pelo compressor. As outras duas vieram do ar externo, na serpentina fria. A razão entre calor entregue e trabalho elétrico se chama coeficiente de desempenho, ou C O P.

Nosso exemplo tem C O P três. Para a Agência Internacional de Energia, uma bomba doméstica típica tem C O P perto de quatro. Nenhuma energia é criada. A eletricidade compra transporte, e transportar sai mais barato que criar.

Por que a proporção tem um teto

Mas essa razão tem limite. A física fixa um teto conforme duas temperaturas: origem e destino do calor. Numa bomba perfeita e reversível, o teto é a temperatura do lado quente dividida pela diferença de temperatura, medindo a partir do zero absoluto.

Num caso de livro, com zero grau fora e vinte dentro, o teto ideal é uns catorze vírgula sete. Com dez graus fora, o teto quase dobra: uns vinte e nove. As máquinas reais ficam bem abaixo: as serpentinas precisam de diferença extra para mover calor rápido, e compressor e ventiladores perdem energia. A lição útil é a forma da fórmula.

Quanto maior a diferença a vencer, mais baixo fica o teto.

Os dias mais frios

A diferença é máxima quando mais se precisa de calor. No frio, a bomba a ar eleva mais o calor e rende menos. Um comentário de dois mil e vinte e três na Joule juntou umas duas mil e setecentas medições de umas quinhentas e cinquenta bombas, em sete estudos de campo na Europa, América do Norte e China.

Entre cinco graus e dez negativos, o C O P médio foi dois vírgula setenta e quatro. Nessa faixa, nenhum estudo teve média abaixo de dois vírgula quatro. Dois modelos para clima frio foram testados na Finlândia a trinta negativos. Um ainda deu de um e meio a dois de calor por unidade elétrica; o outro, de um a um e meio.

O inverno tem outro custo. Perto de zero, a serpentina externa pode congelar, e degelar gasta energia. Muitos sistemas a ar têm reserva para as horas mais frias, e se for elétrica, funciona como o fio do início: entra um, sai um.

Nos estudos, a reserva costumava ligar só abaixo de uns dez negativos.

Países frios já dependem delas

O frio, sozinho, não freou a adoção. Segundo a Agência Internacional de Energia, uns sessenta por cento dos prédios na Noruega têm bomba de calor. Na Suécia e na Finlândia, passava de quarenta por cento. Lá, aquecer não é opcional.

A temperatura interna importa

A outra ponta da diferença fica dentro de casa. Muitos sistemas antigos circulam água entre sessenta e setenta graus. Uma bomba que entrega água tão quente sobe mais o calor, e a eficiência cai. Por isso instaladores às vezes aumentam radiadores, põem piso aquecido ou melhoram o isolamento.

Uma casa bem isolada se aquece com água menos quente, o que reduz a diferença por dentro.

Eficiência não é a conta

Um C O P alto não garante conta menor. Depende do calor necessário, do C O P da temporada e do preço da eletricidade frente ao combustível substituído. Um exemplo do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

Uma bomba de C O P sazonal três, no lugar de uma fornalha a gás que aproveita oitenta por cento do combustível, é três vírgula setenta e cinco vezes mais eficiente. Compensa enquanto a eletricidade custar menos de umas três vírgula setenta e cinco vezes o mesmo em gás. Se a eletricidade custar mais, pode sair mais cara, mesmo usando muito menos energia.

Instalar é outra barreira. Para a agência, sem subsídios, até as bombas ar água mais baratas custam de duas a quatro vezes uma caldeira a gás na maioria dos grandes mercados. Vazamentos importam: alguns refrigerantes são potentes gases de efeito estufa.

Mesmo assim, a agência estima que, com os refrigerantes atuais, a bomba corta emissões em pelo menos vinte por cento frente à caldeira, e até oitenta com eletricidade mais limpa.

Duas exceções

Nem toda bomba tira calor do ar externo. As geotérmicas e as de água usam solo, água subterrânea ou um rio próximo, que no inverno costumam ficar mais mornos que o ar. Com menos diferença, têm C O P maior e nunca degelam uma serpentina externa. O contra é o custo: exige um poço profundo ou uma grande rede de tubos enterrados.

A mesma máquina pode funcionar ao contrário. Uma válvula reversora troca o papel das serpentinas: no verão a interna recolhe calor e a externa o solta, como um ar-condicionado.

Quatro condições para verificar

A caixa não quebra as leis da física. Gasta uma unidade elétrica para levar calor através de uma diferença térmica. Quanto calor ela leva depende de quatro coisas verificáveis. Quanto frio faz onde você mora.

Quanto a água ou o ar precisa esquentar em casa. Quanto calor o prédio retém. E o preço da eletricidade frente ao combustível substituído. Diminua a diferença, e cada unidade elétrica leva mais calor para dentro.