Bombas de calor: o sistema centenário agora no centro da estratégia energética do Governo

Bombas de calor são dispositivos que funcionam como um refrigerador ao contrário, movendo o calor do ar ou do solo de fora de um prédio para o seu interior, através da circulação de um refrigerante. No caso de uma bomba de calor de fonte de ar, por exemplo, a energia térmica da atmosfera - embora possa ser mais fria do que o ar dentro do edifício em questão - é quente o suficiente para fazer com que o refrigerante líquido evapore em um gás. Este gás é então passado através de um compressor, que aumenta a pressão do gás e faz com que sua temperatura suba ao mesmo tempo. O calor do gás pode então ser usado para aquecer o edifício, enquanto o refrigerante esfria e retorna ao seu estado líquido original, permitindo que o processo comece novamente.



As origens dos princípios científicos subjacentes às bombas de calor remontam ao Iluminismo escocês do século XVIII e início do século XIX.

Em 1756, o químico Professor William Cullen da Universidade de Edimburgo deu a primeira demonstração pública de refrigeração artificial.

Ele criou uma pequena quantidade de gelo usando uma bomba para criar um vácuo parcial sobre um recipiente de éter dietílico, baixando seu ponto de ebulição de tal forma que fervesse e absorvendo calor de seus arredores no processo.

Apesar do sucesso da prova de conceito, no entanto, o processo de refrigeração do Prof. Cullen não encontrou aplicação comercial.



Quase um século depois, em 1852, o matemático britânico William Thomson, Barão Kelvin desenvolveu a ideia, propondo um dispositivo que poderia bombear energia de uma região de baixa temperatura – digamos, ao ar livre – para uma mais quente queimando combustível para fazer o trabalho.

Desta forma, as bombas de calor podem extrair calor de um ambiente mais frio sem violar a segunda lei da termodinâmica, que postula que a entropia sempre aumenta.

  Uma bomba de calor

As bombas de calor têm uma história que remonta a mais de dois séculos e tem uma grande influência britânica (Imagem: Getty Images)

  Um diagrama de como funcionam as bombas de calor



As bombas de calor funcionam como um refrigerador ao contrário, movendo o calor de fora para dentro (Imagem: Getty Images)

A primeira bomba de calor real foi lançada pelo engenheiro austríaco Peter von Rittinger quatro anos depois, em 1856, embora ele a chamasse de “bomba de vapor”.

Como diz o aforismo, a necessidade é a mãe da invenção – e a máquina foi criada para fornecer um meio economicamente viável para as salinas de Ebensee extrair sal da salmoura em face da escassez de combustível local.

Uma vez aquecido a 212F (100C) para iniciar o processo, este vaso de vapor fechado aproveitou o calor latente do vapor de água fervido da salmoura para aquecer ainda mais a salmoura.

A chave para o sistema era um compressor mecânico - alimentado por uma roda d'água - que aumentava a pressão e a temperatura do vapor antes de alimentá-lo em uma cavidade abaixo do recipiente de salmoura.



Desta forma, a água se acumularia na cavidade à medida que o sal precipitava no recipiente acima.

A bomba de vapor tem uma diferença notável em relação aos sucessores do sistema de aquecimento doméstico – especificamente na forma como o vapor de água misturado com a salmoura serve tanto como refrigerante quanto como líquido a ser aquecido.

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  William Cullen

Em 1756, William Cullen deu a primeira demonstração pública de refrigeração artificial (Imagem: Domínio Público)

  William Thomson, Barão Kelvin

Lord Kelvin propôs um dispositivo que poderia bombear energia de uma região de baixa temperatura para uma mais quente (Imagem: Domínio Público / Srs. Dickinson, Londres, New Bond Street)

Aprofundando esse conceito com um compressor de pistão bifásico, o físico suíço Antoine-Paul Piccard da Universidade de Lausanne e o engenheiro Jules Weibel construíram um sistema de compressão de vapor que foi instalado nas salinas de Bex em 1877.

Este não foi o único papel da Suíça na história das bombas de calor. Em 1928, o engenheiro eslovaco Aurel Stodola construiu uma bomba de calor de circuito fechado que usava água do Lago Genebra para aquecer a prefeitura de Genebra. Ainda funciona até os dias atuais.

E entre 1937 e 1945, as empresas Sulzer, Escher Wyss e Brown Boveri instalaram cerca de 35 bombas de calor na Suíça – uma medida que ajudou a mitigar a escassez de carvão.

Um desses sistemas, a bomba Escher Wyss que aquecia a prefeitura de Zurique, durou 63 anos até ser substituída por um modelo moderno em 2001.

  A bomba de calor de Norwich

A primeira bomba de calor de grande escala do Reino Unido foi construída em Norwich por John Sumner (Imagem: Facebook / Finn Geotherm)

No Reino Unido, a primeira bomba de calor em grande escala foi montada a partir de peças recuperadas pelo engenheiro John Sumner para o Departamento Elétrico do Conselho Municipal de Norwich em 1945.

O sistema - que empregou água do rio Wensum adjacente e um refrigerante de dióxido de enxofre - teve uma potência máxima de 234 kW e foi capaz de circular água ao redor do prédio do departamento elétrico a 122-131F (50-55C).

Em 1948, Sumner também instalou 12 bombas de calor geotérmicas em residências a mando do rico filantropo britânico Lord Nuffield, e desenvolveu um sistema similar que ele usou para aquecer sua própria casa no início dos anos 1950.

No ano seguinte, o engenheiro construiu uma bomba a gás de dois estágios usando compressores modificados de motores de aeronaves Merlin que usavam o rio Tâmisa como fonte de calor para o Royal Festival Hall de Londres.

Como disse o hidrogeólogo David Banks: “O projeto de 2,5 MW às vezes é descrito como um fracasso, embora nem sempre fique claro que o problema é que na verdade é fornecido muito calor”.

A bomba, explicou ele, fornecia “água quente a até 82°C [180°F]”.

Apesar da eficácia desses sistemas, no entanto, eles não foram amplamente duplicados no Reino Unido como resultado do relativo baixo custo de combustíveis fósseis como carvão e, mais tarde, petróleo e gás do Mar do Norte – ao contrário de países nórdicos como a Suécia, onde o desenvolvimento de energia nuclear reatores nos anos 70 e 80 facilitaram um impulso para métodos eficientes de aquecimento movidos a eletricidade.

Como o autor britânico J Gordon Cook escreveu na revista Spectator em 1948: “Nestes dias de progresso material, quando tanto se fala da ciência como nossa garantia de prosperidade, parece incrível que um dispositivo como o calor bomba deveria ter escapado da atenção que merece.”