Os sistemas de ar condicionado modernos equipados com bomba de calor não geram frio ou calor do nada; em vez disso, transportam energia térmica de um local para outro. Este processo baseia-se em princípios fundamentais da termodinâmica e na manipulação do estado físico de um fluido refrigerante.
O ciclo de refrigeração e a mudança de estado
O coração de qualquer sistema de climatização é o circuito fechado por onde circula o fluido frigorigéneo. Este composto químico possui propriedades térmicas específicas, nomeadamente um ponto de ebulição muito baixo, o que lhe permite mudar de estado físico (de líquido a gás e vice-versa) sob pressões e temperaturas moderadas. O ciclo termodinâmico assenta em quatro componentes fundamentais:
- O Compressor: Localizado na unidade exterior, aumenta a pressão do fluido gasoso, o que consequentemente eleva a sua temperatura de forma drástica.
- O Condensador: Uma serpentina onde o refrigerante de alta pressão liberta calor para o meio ambiente, condensando-se e passando do estado gasoso ao estado líquido.
- A Válvula de Expansão: Um dispositivo capilar ou eletrónico que reduz abruptamente a pressão do líquido, provocando uma queda drástica de temperatura.
- O Evaporador: Uma serpentina onde o fluido a baixa pressão e baixa temperatura absorve o calor do ar circundante, evaporando-se novamente para o estado gasoso antes de reentrar no compressor.
Modo de arrefecimento: Expulsar o calor interior
Durante o verão, o objetivo é remover a energia térmica do interior da habitação e transferi-la para o exterior. Neste modo, a unidade interna funciona como o evaporador. O ar quente e húmido da divisão é aspirado por um ventilador e passa pelas serpentinas frias da unidade interna. O calor do ar é transferido para o fluido refrigerante líquido que circula no interior dos tubos, fazendo com que o fluido evapore.
O ar, agora arrefecido e com menor teor de humidade (uma vez que o vapor de água condensa ao entrar em contacto com a serpentina fria), é soprado de volta para a divisão. O refrigerante, agora em estado gasoso e carregado com o calor interior, viaja pelas tubagens de cobre até ao compressor na unidade exterior. Aí, é comprimido para aumentar a sua temperatura acima da temperatura do ar exterior. Ao passar pelo condensador externo, o calor é dissipado para a atmosfera com a ajuda de um ventilador potente. O fluido volta a liquefazer-se, passa pela válvula de expansão para arrefecer e o ciclo recomeça.
Modo de aquecimento: O ciclo invertido
A verdadeira versatilidade da bomba de calor reside na capacidade de inverter este ciclo termodinâmico através de um componente crucial: a válvula de inversão de quatro vias. Quando se ativa o modo de aquecimento no inverno, esta válvula altera fisicamente o sentido do fluxo do refrigerante.
Neste cenário, a unidade exterior passa a funcionar como o evaporador, capturando a energia térmica do ar frio exterior (mesmo a temperaturas negativas, o ar exterior contém calor latente utilizável). O fluido frigorigéneo evapora a pressões extremamente baixas, absorvendo essa energia térmica exterior. O compressor eleva então a pressão e a temperatura deste gás, direcionando-o para a unidade interna, que agora atua como o condensador. O ar interior frio é soprado através da serpentina quente da unidade interna, absorvendo o calor do refrigerante e aquecendo a divisão. O refrigerante condensa, transforma-se em líquido e regressa à unidade exterior através da válvula de expansão para reiniciar o ciclo.
Eficiência termodinâmica e o COP
A grande vantagem deste sistema face aos aquecedores elétricos convencionais é a eficiência energética. Enquanto um radiador elétrico convencional converte um quilowatt de eletricidade em exatamente um quilowatt de calor (um rácio de 1:1), uma bomba de calor pode fornecer entre três a cinco quilowatts de calor por cada quilowatt de energia elétrica consumida. Esta relação é medida pelo COP (Coefficient of Performance).
Esta eficiência superior deve-se ao facto de a eletricidade não ser utilizada para gerar calor por efeito Joule (resistência elétrica), mas sim para alimentar o compressor e os ventiladores que movem mecanicamente o calor de um local para o outro. Contudo, a eficiência térmica em modo de aquecimento diminui à medida que a temperatura exterior desce, pois há menos energia térmica disponível no ar exterior e o compressor necessita de trabalhar com uma diferença de pressão mais elevada para atingir a temperatura desejada no interior.
