Bombas de calor de CO2 para água quente comercial: elevação de temperatura e adequação ao sistema

Atualizado em outubro de 2026

As bombas de calor de CO2 usam dióxido de carbono como fluido refrigerante, também chamado de R744, para transferir calor para a água. São uma opção interessante para água quente comercial quando a água fria de reposição, as altas temperaturas de armazenamento e um sistema de circulação bem projetado funcionam em conjunto. Para hotéis, apartamentos e instalações industriais, as principais questões são a temperatura atingida pela água de entrada, o volume de água quente consumido pelo edifício nos horários de pico e como a central térmica completa atende às cargas.

Um sistema que atinge a temperatura de saída desejada ainda pode não ter capacidade de aquecimento suficiente no inverno. Um compressor muito eficiente também pode integrar um sistema caro de operar se o aquecimento elétrico auxiliar tiver de reaquecer uma grande carga de circulação. Este relatório relaciona esses detalhes a um método prático de seleção e apresenta exemplos publicados, incluindo um cálculo elétrico detalhado.

O que são bombas de calor de CO2 e como funcionam?

Uma bomba de calor de CO2 é uma bomba de calor cujo circuito de fluido refrigerante contém R744. Em um aquecedor de água com fonte de ar, a unidade capta calor do ar ambiente e o transfere para outro circuito de água. A eletricidade aciona essa transferência. O dióxido de carbono permanece no circuito de fluido refrigerante; ele não é adicionado à água quente de uso doméstico.

Pense no fluido refrigerante como um meio que transporta calor entre dois trocadores de calor. A troca térmica mantém separados os circuitos de água e de fluido refrigerante. O circuito de água leva o calor até o armazenamento ou o edifício. O termo CO2 identifica o fluido de trabalho, enquanto com fonte de ar, com fonte de água e com fonte térmica no solo identificam de onde vem o calor da fonte. São escolhas distintas: selecionar o ar ou a água como fonte de calor não define o fluido refrigerante. As bombas de calor geotérmicas também são definidas pela fonte térmica. Nossos fundamentos das bombas de calor ar-água explicam melhor essa configuração.

Como funcionam as bombas de calor de CO2?

Em um ciclo transcrítico de dióxido de carbono, o compressor aumenta a pressão e a temperatura do fluido refrigerante. O fluido refrigerante quente libera calor por meio de um resfriador de gás; um dispositivo de expansão reduz sua pressão, e o evaporador volta a captar calor. Em um sistema tradicional, o fluido refrigerante libera calor por condensação a uma temperatura de saturação constante. Neste caso, a temperatura do fluido refrigerante varia, e o calor é transferido para o outro lado. Esse processo é adequado para aquecer um fluxo de água fria com uma elevação de temperatura considerável.

Uma instalação central de aquecimento de água com bomba de calor usa esse ciclo transcrítico de CO2 no estudo de campo de Banks e colaboradores. A alta pressão faz parte do projeto do equipamento, que exige componentes, proteções e procedimentos de manutenção desenvolvidos para esse fluido refrigerante.

Em comparação com fluidos refrigerantes com alto potencial de aquecimento global, o dióxido de carbono tem baixo potencial de aquecimento global e potencial zero de destruição da camada de ozônio. O projeto de aquecedores de água com CO2 do Departamento de Energia dos EUA também observa que ele não é inflamável. O GWP e o ODP do fluido refrigerante descrevem propriedades ambientais específicas; a pegada de carbono do edifício também depende da eletricidade, do consumo de energia e do sistema de aquecimento substituído.

Temperatura da água em bombas de calor de CO2: entrada, saída e elevação de temperatura

A Heat2O da Mitsubishi informa uma temperatura máxima de saída de 176°F (80°C), mas a capacidade real depende da entrada e do circuito de água. Para descrever adequadamente a capacidade da unidade em relação a um circuito de água, registre 3 temperaturas na mesma linha: água de entrada, água de saída e ar de entrada. Um valor máximo de saída responde a apenas uma dessas questões. Os aquecedores de água com bomba de calor de CO₂ devem ser selecionados para corresponder às temperaturas da água de entrada e de saída e do ar de entrada.

Uma alimentação de água fria de reposição é adequada para uma bomba de calor de passagem única. Isso resulta em uma grande elevação da temperatura da água. A água de retorno aquecida de um circuito de circulação impõe outras condições de operação: uma elevação de temperatura menor, com água mais quente entrando no resfriador de gás. No resfriador de gás, a temperatura da água de entrada afeta o desempenho da bomba de calor, mesmo quando o ponto de ajuste final do armazenamento permanece igual.

Em períodos com pouco consumo de água nova e recirculação contínua, uma entrada nominalmente fria pode aquecer. As comparações de desempenho em reformas precisam considerar as temperaturas da água de entrada e de saída e do ar de entrada ao longo de todo o ciclo. O Guia de projeto de aquecedores centrais de água com bomba de calor explica esse comportamento.

Mantenha o circuito primário de aquecimento separado da temperatura da água nas torneiras. Alguns sistemas transferem calor diretamente para o armazenamento de água potável; outros usam um trocador de calor secundário entre um circuito primário fechado e a água potável. As temperaturas variam conforme o armazenamento, a distribuição e a mistura.

No artigo de demonstração de 2024 da Association for Energy Affordability, o circuito primário da Heat2O forneceu água a 176°F a um trocador de calor secundário, enquanto a água potável armazenada normalmente atingiu cerca de 165°F (74°C). Essa diferença altera a temperatura útil disponível antes da distribuição e da mistura.

Temperaturas diferentes também aparecem no estudo de campo de Banks, publicado em 2022: a água da rede na entrada variou de 50–72°F (10–22,2°C), foi aquecida a 147°F (63,9°C) e entrou no circuito de recirculação a cerca de 125°F (51,7°C). Essas são condições registradas naquela instalação, não uma recomendação de gestão da água para outros edifícios.

Identifique os sensores de temperatura pelo circuito e pelo local. Substitua “Água quente: 80°C” por “saída do circuito primário: 80°C; armazenamento e distribuição de água potável: projetados separadamente.”

Armazenamento e recirculação: mantenha fria a água de entrada

O armazenamento estratificado ajuda uma bomba de calor de CO2 de passagem única a receber água mais fria, mantendo água quente disponível na saída superior do tanque. A parte difícil costuma ser o retorno aquecido da circulação: o ponto de conexão e o método de reaquecimento afetam tanto a mistura no tanque quanto o consumo de eletricidade.

Separe a carga térmica de aquecimento da água nova da carga de manutenção da temperatura. A primeira aquece a água de reposição consumida pelos ocupantes. A segunda repõe o calor perdido pela água em circulação no sistema, inclusive quando os ocupantes não consomem água. Agrupar as duas cargas pode ocultar por que a central consome mais eletricidade do que o esperado.

Matriz de adequação à entrada fria

O equipamento e o armazenamento são dimensionados conforme a demanda do projeto. A síntese do guia da Ecotope e das demonstrações de campo da AEA orienta as decisões de projeto.

Um tanque de compensação separa o reaquecimento da recirculação da configuração do armazenamento primário. A água quente que passa por ele ajuda a atender à carga; uma resistência elétrica fornece calor quando necessário. Uma configuração de circuitos paralelos usa equipamentos diferentes para manter a temperatura. Cada opção altera o espaço ocupado, os controles e a energia auxiliar.

Nos testes iniciais da central em Lassen, com duração de uma semana, a AEA registrou um COP de 2.7 ao devolver a água de circulação ao tanque primário frio, em comparação com o valor de referência de 2.3. A configuração projetada de retorno ao circuito primário alterou o caminho de reaquecimento da recirculação; o tanque de compensação permaneceu disponível como reserva. Os autores suspeitaram que a estratificação deficiente existente influenciou o resultado e planejaram uma validação mais longa.

Água de entrada fria e operação segura com água potável exigem um projeto coordenado. Um circuito primário fechado de água não potável, uma linha de água fria de reposição e um tanque de armazenamento de água potável têm funções diferentes. As diretrizes do CDC para água em edifícios abordam temperatura, tempo de permanência da água, níveis residuais de desinfetante e controles contra queimaduras. As mudanças para aumentar a eficiência devem estar de acordo com a estratégia de gestão da água do edifício.

Capacidade de bombas de calor de CO2 no frio

A potência de saída publicada da Heat2O é de 40 kW com temperatura ambiente de 36°F (cerca de 2°C); a −13°F (−25°C), a capacidade cai para 50%, enquanto a água ainda pode atingir 176°F, segundo o comunicado da Mitsubishi sobre a Heat2O. As bombas de calor de CO2 com fonte de ar podem produzir água quente em dias frios, mas a capacidade de aquecimento disponível varia conforme o modelo e as temperaturas de operação.

Isso faz sentido para um hotel ou edifício de apartamentos: a temperatura de saída pode ser suficiente, mas a recuperação demora mais. O mesmo volume diário de água quente pode ser fácil de fornecer quando distribuído ao longo do dia e difícil quando concentrado no pico da manhã. A temperatura ambiente, o comportamento do degelo, a disponibilidade de armazenamento e a operação da reserva devem ser considerados na seleção para o inverno. A temperatura do ar ao redor determina as condições da fonte para o equipamento externo. Qual é a potência térmica disponível durante esse período de recuperação?

O dimensionamento para o inverno precisa considerar a redução do armazenamento pelo consumo e sua recomposição pelo equipamento em condições variáveis. O estudo multifamiliar de 2024 do Oak Ridge National Laboratory combinou o dimensionamento para o dia de projeto, um modelo de tanque estratificado e um mapa de desempenho de uma bomba de calor comercial de CO2; as economias simuladas se aplicam aos locais e às tarifas estudados.

Os limites de ruído noturno também podem reduzir a potência disponível para recuperação. O projeto da AEA em Lassen adotou operação noturna reduzida para lidar com o ruído para os vizinhos, e a capacidade instalada justificou essa escolha. Em outro edifício, a mesma restrição poderia exigir mais armazenamento ou outra programação de recuperação.

As bombas de calor com fonte de água usam um perfil de temperatura da fonte diferente do das unidades externas. Um projeto de bomba de calor com fonte de água considera as condições disponíveis da água e o bombeamento associado, inclusive a disponibilidade da fonte nas horas mais frias.

Bombas de calor de CO2 ou R290 para água quente comercial

O R744 pode ser usado para uma grande elevação de temperatura a partir da água fria de reposição, e o R290, ou propano, pode ser usado em aplicações de aquecimento de água e de ambientes. A escolha entre equipamentos de CO2 e R290 depende das temperaturas da água, das condições da fonte térmica, das cargas e das restrições.

O projeto com fonte de ar e R290 teve o melhor desempenho sazonal entre 3 projetos de 15 kW na comparação numérica de 2025 de Conte e colaboradores, nos cenários combinados de aquecimento de ambientes e água quente de uso doméstico estudados em Roma e Estrasburgo. No perfil diurno dedicado apenas à água quente, o projeto com R744 e fonte de ar solar teve o melhor resultado. O clima e os horários da demanda mudaram a comparação.

No aquecimento combinado de água de uso doméstico e de ambientes, pode haver grandes diferenças entre as temperaturas de retorno dos radiadores e as da água fria de reposição usada para produzir água quente doméstica. Um circuito separado ou uma configuração de aquecimento alternativa pode atender melhor a esses requisitos. Uma aplicação de chiller com bomba de calor também envolve resfriamento e aquecimento, que devem ser comparados em condições próprias de operação.

Quais são as desvantagens do CO2 como fluido refrigerante?

Os sistemas de CO2 usam equipamentos projetados para operação em alta pressão, e muitos projetos de aquecimento de água perdem eficiência quando a temperatura da água de entrada aumenta. Essas características afetam a escolha dos componentes, a facilidade de manutenção e o layout hidráulico. Em uma reforma com água de retorno aquecida, a desvantagem prática pode estar nas mudanças necessárias no sistema para obter uma operação eficiente, e não na temperatura máxima que o fluido refrigerante pode atingir.

As comparações de descarbonização precisam considerar a eletricidade sazonal, os combustíveis fósseis substituídos e o impacto climático do fluido refrigerante. O baixo GWP contempla apenas parte de uma alegação de “respeito ao meio ambiente”. Sistemas R32, equipamentos a propano e sistemas de CO2 com fluido refrigerante natural devem ser comparados modelo a modelo.

Custo instalado e consumo de energia: exemplo de cálculo

O custo instalado de um sistema de bomba de calor inclui unidades, armazenamento, instalações elétricas, tubulação, controles e comissionamento. Os custos de operação dependem do consumo de eletricidade do sistema completo e da tarifa de energia. A área ocupada pelo armazenamento, a potência disponível e as perdas de circulação podem alterar os custos tanto quanto a seleção da unidade.

Para um cálculo inicial aproximado, considere uma carga de aquecimento de água de 100 kWh de calor por dia, antes das perdas de armazenamento e distribuição. Compare valores médios presumidos de COP de 2, 3 e 4 para essa mesma carga e período. A eletricidade consumida para a carga informada é a energia térmica dividida pelo COP.

Com uma tarifa fixa de eletricidade adicional, presumida em $0.20/kWh, o caso intermediário custa $6,67 por dia: 100 ÷ 3 × $0,20. Esse é apenas o custo de energia para a carga informada. Inclua as cargas térmicas adequadas de armazenamento e circulação, a eletricidade de bombeamento e o consumo da reserva na estimativa completa do edifício. As tarifas de demanda e por horário de uso exigem um perfil elétrico preciso.

Mantenha coerência no limite de contabilização. O estudo de campo de Banks define o COP do sistema como o calor fornecido à água mais as perdas de recirculação, dividido pela eletricidade consumida pela bomba de calor e pelo aquecedor de reserva. Se o COP medido do sistema completo já inclui a eletricidade da reserva e das bombas, somar esses consumos novamente seria contá-los em duplicidade. O cálculo de eficiência considerando apenas a água quente útil dará outro resultado, mesmo para a mesma instalação.

O armazenamento precisa cobrir os picos de consumo de água quente enquanto a bomba de calor recupera água suficiente para o próximo pico. Um edifício que usa 100 kWh de calor ao longo do dia pode consumir grande parte desse calor em um período curto. Portanto, apenas o consumo de energia não permite determinar o tamanho do tanque de armazenamento de água quente nem a capacidade de aquecimento.

O armazenamento pode reduzir a potência de saída necessária da bomba de calor para atender à demanda instantânea de água quente. Também permite operar a bomba de calor fora dos horários de pico, como descreve Andrew Macaluso na discussão de projeto de armazenamento da HPAC. O benefício em termos de custo varia conforme a demanda e a tarifa do projeto.

Para comparar o custo total de propriedade, use o mesmo escopo em todas as propostas: equipamentos e tanques, melhorias na instalação elétrica, acesso para instalação, medidas acústicas, comissionamento, manutenção e sistema de reserva. Aquecedores elétricos de água também podem integrar uma estratégia de reserva em uma reforma. Compare as sequências de operação da reserva para aquecimento elétrico e caldeiras mantidas. Inclua as horas de operação na estimativa, mesmo que a bomba de calor principal consuma menos energia do que o aquecimento por resistência.

Onde as bombas de calor comerciais de CO2 se encaixam

O aquecimento de água com bomba de calor é uma opção prática para hotéis e outros edifícios com alta demanda de água quente de uso doméstico. Para que seja adequada, o perfil de temperatura da água e a configuração de armazenamento precisam corresponder ao equipamento. Aplicações comerciais e industriais com água de retorno aquecida, armazenamento muito limitado ou cargas simultâneas de resfriamento exigem uma comparação mais específica do sistema.

Unidades menores de CO2 forneceram aquecimento central de água na reforma de 60 unidades estudada por Banks e colaboradores. Equipamentos projetados para aplicações residenciais atenderam a esse edifício por meio de uma instalação projetada. Cada bomba de calor residencial de CO2 integrou um sistema selecionado e controlado para a carga do edifício.

Instalações que precisam aquecer e resfriar ao mesmo tempo têm outra oportunidade. A pesquisa comercial sobre R744 de Petersen e colaboradores investigou o resfriamento útil em conjunto com o aquecimento de água. Um restaurante ou uma instalação com refrigeração pode ter cargas coincidentes. A avaliação deve determinar quando cada saída é útil e evitar contar duas vezes os benefícios do calor recuperado e do resfriamento.

O aquecimento de ambientes e a água quente de uso doméstico geralmente exigem temperaturas de alimentação e retorno diferentes. A água de processo pode exigir fluidos, condições de higiene ou trocadores de calor diferentes, entre outros requisitos. Considere esses casos ao analisar aplicações de bombas de calor na indústria e no comércio. As oportunidades de energia renovável, especialmente o calor do ambiente e o calor recuperado, dependem da disponibilidade e do cronograma de operação.

Requisitos de integração, manutenção e aquisição

Uma cotação útil para uma solução de aquecimento de água define em conjunto as condições de operação exigidas do equipamento, os circuitos de água, o armazenamento, a alimentação elétrica e as responsabilidades pela assistência técnica. Envie a mesma especificação ao projetista e ao fornecedor para permitir uma comparação justa.

A documentação técnica deve indicar as condições de operação ambiente, as temperaturas de entrada e saída da água, a capacidade, a potência elétrica de entrada e o comportamento relevante em carga parcial. Para planejar a assistência técnica, verifique a disponibilidade local de profissionais com experiência em fluidos refrigerantes, o acesso a peças de reposição e a resposta em caso de falha da unidade.

As referências de classificação para aquecedores comerciais de água incluem ANSI/AHRI 1300-2013 (R2023) e 1301-2013 (R2023), listadas na página de classificação de aquecedores comerciais de água da AHRI. Os dados nominais de desempenho podem variar conforme as condições e o método de classificação utilizado. Nesse sentido, é importante verificar as certificações separadamente. O projeto também precisa prever a proteção contra pressão aplicável, as instalações elétricas e os controles da água do edifício.

O comissionamento deve verificar a sequência normal de aquecimento e a resposta do sistema de backup. Na modernização do edifício Banks, ajustes nos setpoints e um sensor de vazão defeituoso afetaram o funcionamento do backup durante as falhas das bombas de calor. Um aquecedor reserva ocioso só é útil se os elementos de controle, os sensores e as interfaces hidráulicas funcionarem como previsto.

Perguntas frequentes sobre bombas de calor a CO2

O guia de referência é publicado pela Kovenair. Os créditos de equipamentos específicos, pesquisas e projetos de campo pertencem aos respectivos proprietários e autores. A tabela de eletricidade utiliza as premissas declaradas e é independente dos dados de desempenho dos produtos.