Bombas de calor água-água: funcionamento, tipos e custos

Um sistema de bomba de calor água-água transfere calor entre um circuito de água da fonte e o circuito de água quente ou gelada de uma edificação. É adequado para locais com acesso a fontes de calor em água ou em circuito geotérmico, além de distribuição hidrônica. A avaliação prática é verificar se a fonte, a temperatura de água necessária e todas as bombas conseguem atender à carga térmica da edificação com viabilidade econômica.

Atualizado em outubro de 2026

O que é uma bomba de calor água-água?

As bombas de calor água-água usam líquido nos dois lados do circuito de refrigeração. O primeiro “água” se refere ao lado da fonte de calor; o segundo, ao lado da aplicação útil. Uma bomba de calor água-ar (WSHP) pode fornecer ar aquecido ou resfriado, portanto essas duas descrições não são intercambiáveis.

A distribuição hidrônica conduz água aquecida a radiadores, pisos ou serpentinas e, em seguida, a água retorna para ser reaquecida. Terminais adequados permitem que o sistema HVAC aqueça ou resfrie ambientes usando um circuito de água. No modo de resfriamento, a água gelada absorve calor do interior da edificação. A visão geral sobre energia geotérmica do Departamento de Energia dos Estados Unidos diferencia o coletor subterrâneo, a bomba de calor e o sistema de distribuição; a distribuição pode ser feita por ar ou por água.

Um aquecedor de água com bomba de calor aerotérmica transfere calor do ar ao redor para a água armazenada (explicação da ENERGY STAR sobre aquecedores de água com tanque). Um aquecedor elétrico de água com resistência aquece diretamente a água do tanque. Nenhuma dessas configurações, por si só, descreve uma central água-água para aquecimento de uma edificação.

Como o ciclo de refrigeração transfere calor

O ciclo de refrigeração funciona como o de uma geladeira que retira calor de seu compartimento, exceto que o lado útil de aquecimento aquece a água de um circuito. O refrigerante evapora no trocador frio, é comprimido, libera calor no trocador quente e, em seguida, tem sua pressão reduzida por um dispositivo de expansão. Essa transferência de energia térmica não exige que a água da fonte entre em ebulição.

Como funciona uma bomba de calor água-água?

Uma bomba de calor água-água absorve energia da água ou do fluido circulante da fonte por meio de um evaporador. O compressor eleva a pressão e a temperatura do refrigerante. No condensador, o refrigerante transfere calor para a água da carga térmica e volta ao estado líquido. Um dispositivo de expansão reduz sua pressão antes do reinício do ciclo de refrigeração.

A extração de calor da água resfria o fluido da fonte enquanto aquece o fluido da carga térmica (consulte a explicação do ciclo de aquecimento da Natural Resources Canada). O refrigerante permanece em seu próprio circuito e transfere calor por meio de um trocador de calor em cada lado. Em equipamentos projetados para operação reversível, uma válvula reversora altera as funções térmicas dos circuitos.

1. Evaporador: o refrigerante a baixa pressão absorve calor da fonte.
2. Compressor: a energia elétrica eleva a pressão do refrigerante.
3. Condensador: o refrigerante quente transfere calor para a água da carga térmica.
4. Dispositivo de expansão: a redução da pressão prepara o refrigerante para absorver calor novamente.

De onde pode vir a água da fonte?

Água subterrânea, tubulação enterrada em circuito fechado, circuito adequado de água de superfície e calor recuperável de uma edificação ou processo podem alimentar uma bomba de calor água-água. Cada opção tem um fator limitante diferente: a vazão contínua da fonte, a transferência de calor do solo, as condições sazonais da água ou o período em que há calor residual disponível. Uma fonte de água próxima também precisa ter capacidade suficiente de transferência de calor ao longo das estações.

As recomendações da ASHRAE para sistemas com água subterrânea (§1.5, componentes do sistema) favorecem o uso de um trocador de calor de isolamento em sistemas comerciais. Esse projeto separa a incrustação da água bruta do circuito mais limpo da edificação, mas acrescenta uma diferença de temperatura no trocador e resistência ao bombeamento. Um projeto de circuito fechado recircula um fluido controlado e ainda exige proteção contra congelamento e corrosão.

A eficiência geotérmica pode variar ao longo do tempo: um local de Fairbanks com predomínio de aquecimento e solo permanentemente congelado apresentou eficiência variável ao longo de sete estações de aquecimento (estudo de Garber-Slaght em Fairbanks (2021)). A análise do desempenho do circuito geotérmico deve considerar a variação anual da extração e da rejeição de calor. O guia de bombas de calor geotérmicas traz mais informações de projeto sobre o lado do solo.

Água-água vs. ar-água e água-ar

Compare as configurações água-água e ar-água para distribuição hidrônica. Use água-ar para distribuição de ar a partir de um circuito de água. Bombas de calor ar-água dispensam um coletor geotérmico ou de água, mas o ar frio aumenta a elevação de temperatura necessária para o aquecimento. Bombas de calor água-ar exigem distribuição de ar, em vez de um sistema central de distribuição de água quente.

Uma bomba de calor ar-ar aquece diretamente o ar interno por meio de uma serpentina de refrigerante (descrições de fonte e sumidouro da Natural Resources Canada). Uma bomba de calor água-ar exige uma unidade de tratamento de ar ou um conjunto de ventilação integrado; usar água em vez de ar no lado da fonte não elimina a necessidade de uma seção de ar.

Um poço existente é um ponto de partida. Não se pode presumir que uma bomba de calor água-água sempre possa ser combinada a um poço existente para formar um sistema completo de aquecimento. Se a vazão contínua do poço for insuficiente, ou se o tratamento e o retorno da água exigirem obras extensas, uma bomba de calor aerotérmica pode ser mais adequada ao local. Compare as duas opções considerando a mesma carga térmica dos ambientes e a mesma temperatura de aplicação. A solução de bomba de calor água-água da Koven Air apresenta opções de equipamentos para essa avaliação.

Compatibilidade com a distribuição hidrônica e a temperatura da água

A faixa abaixo de 45 a 50°C é descrita como mais eficiente para aquecimento hidrônico nas orientações residenciais sobre energia geotérmica da Natural Resources Canada. A distribuição em baixa temperatura reduz a elevação de temperatura do compressor. Ainda assim, o emissor precisa liberar calor suficiente nessa temperatura da água; por isso, a capacidade dos radiadores e a perda de calor do ambiente determinam se o sistema de aquecimento existente pode ser mantido.

Uma bomba de calor geotérmica pode funcionar com radiadores existentes?

Sim. Uma bomba de calor pode ser usada com radiadores existentes, desde que a capacidade dos radiadores nas temperaturas de insuflamento e retorno propostas seja suficiente para compensar a perda de calor do ambiente. Nesse caso, não é necessário instalar aquecimento de piso.

Exemplo: na temperatura externa de projeto, um ambiente precisa de 2,0 kW de calor. Se o radiador fornecer apenas 1,5 kW na temperatura de água proposta, faltam 0,5 kW. Portanto, o ambiente fica com um déficit de 0,5 kW. Manter esse radiador sem alterações deixa o ambiente abaixo da condição de projeto. O déficit pode ser compensado com um emissor maior ou pela redução das perdas de calor.

Serpentinas com ventilador também podem fornecer aquecimento hidrônico. Um ventilador movimenta o ar sobre uma serpentina de água, resfriando-o ou aquecendo-o. O guia de unidades fan coil hidrônicas traz mais informações sobre a distribuição de ar. Máquinas industriais de alta temperatura são uma categoria distinta de equipamento: a ressalva residencial sobre radiadores acima de 60°C não é um limite universal de temperatura de saída para bombas de calor água-água.

Eficiência: COP da unidade, COP do sistema e resultados sazonais

O COP da unidade compara o calor fornecido com a eletricidade considerada na classificação da unidade. O COP do sistema inclui toda a eletricidade dentro do limite da central. A eficiência energética sazonal considera as variações de carga e temperatura ao longo do tempo. Um COP favorável em um único ponto pode coexistir com resultados anuais ruins quando as bombas da fonte, o aquecimento de apoio por resistência ou as perdas de distribuição são substanciais.

“Relação entre a produção do sistema de recuperação de calor e o consumo de energia de todo o sistema, incluindo compressor, bombas etc.”

Exemplo: a potência térmica útil é 100 kW e a unidade consome 25 kW, resultando em um COP da unidade de 4.0. Acrescente 5 kW dos equipamentos auxiliares da fonte e da distribuição, que não estavam incluídos nessa classificação: o consumo total passa a 30 kW e o COP do sistema passa a 100 ÷ 30 = 3.33. Não some novamente as bombas já contabilizadas no consumo da unidade.

Bombas de calor com fonte de água são altamente eficientes?

Bombas de calor com fonte de água podem oferecer alta eficiência quando as temperaturas da fonte e da carga térmica são adequadas ao equipamento e o consumo auxiliar é controlado. Elas transferem calor em vez de depender de resistência elétrica. O desempenho do sistema completo deve incluir o bombeamento e qualquer aquecimento de apoio, pois ambos podem elevar o consumo mesmo quando a classificação do compressor é boa.

A ISO 13256-2:2021, publicada como 2ª edição em 2021, estabelece critérios de ensaio e classificação de desempenho para conjuntos água-água e salmoura-água compatíveis, em condições especificadas da fonte e da carga térmica. Compare classificações nas mesmas condições. Para estimar o consumo anual de energia, use um fator sazonal do sistema que inclua os mesmos equipamentos auxiliares considerados no orçamento de eletricidade.

Capacidade e vazão: exemplo prático no lado da água

Uma carga de aquecimento de água de 100 kW com aumento de temperatura de 5 K exige uma vazão de 4,78 L/s, considerando as premissas simplificadas sobre a água apresentadas abaixo. A vazão do lado da fonte é calculada separadamente, pois a extração de calor da fonte não inclui a energia adicional do compressor. Essas vazões verificam a carga térmica; a seleção da bomba também exige considerar as perdas de pressão da tubulação e dos trocadores.

Mapa operacional da fonte à carga

O mapa operacional da fonte à carga ilustra as vazões de água, o consumo do compressor, o calor útil e um ponto de operação estimado.

Premissas: operação contínua em aquecimento; potência útil de 100 kW; COP da unidade de 4.0; água da fonte entrando/saindo a 10/6°C; água da carga saindo/retornando a 40/35°C. Adote densidade da água de aproximadamente 1 kg/L e calor específico de 4,18 kJ/(kg·K), propriedades de referência simplificadas nas equações de transferência de calor hidrônica da ASHRAE. Desconsidere a perda de calor na tubulação e o calor das bombas neste balanço térmico.

Use Q = vazão mássica × calor específico × variação de temperatura, com Q em kW e vazão mássica em kg/s. O COP 4.0 é uma premissa nas temperaturas do exemplo para comparar os circuitos, não uma seleção de equipamento. As vazões e perdas de pressão das misturas de glicol diferem das da água; por isso, exigem análise e correção específicas.

Diferenças menores de temperatura resultam em vazões calculadas maiores para uma mesma carga térmica. Ainda assim, há limites de vazão para os equipamentos. Selecionar uma bomba menor para reduzir a vazão sem verificar esses limites pode deixar o trocador sem vazão suficiente. Tanto o cálculo térmico quanto o hidráulico precisam atender aos requisitos da unidade de bomba de calor.

Aplicações, resfriamento e água quente de uso doméstico

Equipamentos água-água podem fornecer aquecimento de ambientes, resfriamento com água gelada e outros serviços projetados de água quente de uso doméstico. Equipamentos reversíveis podem alternar entre os modos de aquecimento e resfriamento; equipamentos com recuperação de calor podem fornecer água quente e gelada a cargas simultâneas quando necessário. Serviços simultâneos exigem circuitos de água adequados e um local para rejeitar o calor quando uma carga deixa de existir.

A recuperação de calor de um escritório em resfriamento pode fornecer aquecimento a um processo próximo. A ASHRAE define sistemas de modo duplo de forma diferente dos sistemas de recuperação de calor. Quando o processo para, ainda é necessário rejeitar calor para um sumidouro resfriado. Para lidar com o desequilíbrio, é preciso prever um circuito com caldeira e torre de resfriamento, uma conexão geotérmica ou outra fonte/sumidouro projetado. O guia de chillers com bomba de calor compara essas configurações.

Para água quente de uso doméstico, transfira calor para um sistema adequado de água potável por meio de um trocador de calor ou aquecedor de água projetado para essa finalidade. As temperaturas de ajuste do aquecimento de ambientes não substituem os controles de higiene da água quente. As orientações do CDC para sistemas de água em edificações diferenciam os controles contra queimaduras no armazenamento, na circulação e no ponto de uso. Um projeto dedicado de água quente pode incluir armazenamento e aquecimento adicional. O projeto hidráulico também deve atender aos requisitos locais de água potável aplicáveis ao empreendimento.

O resfriamento radiante exige uma estratégia independente de controle da umidade. Serpentinas com ventilador e água gelada podem remover umidade quando dispõem de serpentinas, coleta de condensado e drenos adequados. Na explicação de John Siegenthaler sobre bombas de calor hidrônicas, o controle da condensação exige que a temperatura da superfície (do painel) fique acima do ponto de orvalho do ar do ambiente. Resfriar um piso não proporciona a mesma desumidificação que uma serpentina de ar.

Custo da bomba de calor água-água: instalação e energia

O custo de uma instalação água-água inclui a bomba de calor, as obras da fonte, a distribuição da edificação e a instalação elétrica e hidráulica. O orçamento para adaptar um sistema com água subterrânea pode ser muito diferente do orçamento para um novo campo de sondas, mesmo que ambos tenham a mesma capacidade de aquecimento. O custo anual de energia é mais fácil de calcular depois de definir a demanda de calor útil, o desempenho sazonal do sistema e a tarifa de eletricidade.

Os principais custos incluem equipamentos, poços, obras de captação e retorno, trocadores de isolamento, bombas, emissores, tubulação, alimentação elétrica, controles e comissionamento. As condições específicas do local e o tipo de coletor influenciam bastante os custos (orientações de instalação da Natural Resources Canada). Edificações comerciais de grande porte também podem pagar tarifas de demanda de eletricidade, que um cálculo simples em kWh não inclui.

O custo anual de eletricidade para aquecimento é de cerca de USD 5.000, considerando 100.000 kWh de calor útil, fator de desempenho sazonal do sistema de 3.0 e eletricidade a USD 0.15/kWh. O consumo de eletricidade é 100.000 ÷ 3 = 33.333 kWh. O fator sazonal estimado inclui a unidade, as bombas da fonte e da distribuição e qualquer aquecimento de apoio que atenda à carga anual de aquecimento. Essa estimativa considera apenas energia e exclui manutenção, tarifas de demanda e custo instalado; a tarifa é uma premissa, não um preço local atual.

Aquecedores elétricos de água com resistência produzem calor usando eletricidade. Uma bomba de calor para aquecimento com fator de desempenho sazonal superior a um reduz o consumo de energia para fornecer a mesma quantidade de calor. Para uma comparação equivalente, a economia de energia deve ser calculada considerando serviços e limites de medição equivalentes. Substituir um tanque de água quente não contabiliza o custo da instalação da fonte de água e da distribuição hidrônica de toda a edificação.

O que verificar antes de especificar um sistema

Comece pelo perfil de carga térmica, a disponibilidade de água na fonte e a capacidade esperada dos emissores. Compatibilize a carga térmica com o projeto hidráulico e a sequência de operação. A capacidade, por si só, não resolve vazão insuficiente nem indisponibilidade da fonte de calor; essas restrições precisam ser solucionadas antes de concluir as especificações dos equipamentos e os orçamentos de instalação.

Em um estudo de caso de 2026 da HPAC Engineering, assinado por Vinay Shekar e Robby Oylear, uma central totalmente elétrica para um laboratório foi dimensionada para as cargas térmicas, mas ainda apresentou alarmes de vazão e interrupções. As bombas da fonte interagiam com um circuito maior de vazão variável. Um bypass próximo ao equipamento água-água também reduziu o volume de água ativo e aumentou a ciclagem. As mudanças nos equipamentos incluíram o desacoplamento hidráulico e o reposicionamento das válvulas de bypass mais adiante no circuito. Alterações na configuração hidráulica e na estratégia de controle resolveram os problemas hidráulicos e de controle.

Consulte o guia de comissionamento e controles para bombas de calor com fonte de água para verificações adicionais.

O que está mudando no aquecimento pelo lado da água?

Os projetos de substituição de equipamentos de aquecimento estão se expandindo para sistemas prediais integrados e sistemas de energia industrial. Essa expansão é impulsionada pela temperatura útil da fonte, pela temperatura de entrega e pelas horas de operação. A recuperação de calor e o armazenamento térmico podem ajudar a reduzir ou deslocar a demanda de aquecimento, mas precisam funcionar dentro do cronograma de produção ou ocupação.

As bombas de calor disponíveis comercialmente poderiam, tecnicamente, atender até cerca de 20% da demanda global de calor industrial, segundo o Heat Pump Monitor 2026 da IEA. Equipamentos industriais de bomba de calor podem ser integrados a processos industriais, mas barreiras como a inviabilidade econômica e condições desfavoráveis do processo limitam seu uso.

Ao escolher equipamentos para uma reforma, considere a temperatura e o horário do calor residual disponível e compare-os com a temperatura de calor necessária. O armazenamento de água pode ajudar a compensar a diferença de horários. No entanto, armazenar calor útil com uma pequena diferença de temperatura exige grandes volumes de água. O projeto do sistema deve considerar esse volume, o espaço necessário e as perdas de calor.

Perguntas frequentes

Os equipamentos do projeto exigem um projeto de engenharia específico para o local. Mais informações sobre a empresa estão disponíveis em Koven Air.