Análise de Projeto de Bomba de
Calor de Fonte Subterrânea
Curso de Análise de Projeto de Energia Limpa
Philadelphia Enterprise Centre, EUA – 28 BCFSs para Aquecimento e Refrigeração
Foto cedida por : Geothermal Heat Pump Consortium (NREL PIX)
© Ministro de Recursos Naturais Canada 2001 – 2006.
Objetivos
• Revisar conceitos básicos sobre
sistemas com Bomba de Calor
de Fonte Subterrânea (BCFS)
• Ilustrar considerações chave para
análise de projeto para BCFS
• Apresentar o Modelo de Projeto
RETScreen® BCFS
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O que fornece um sistema BCFS ?
• Aquecimento
Casa Impact 2000, Massachusetts, EUA
• Refrigeração
• Água Quente
Foto cedida por : Solar Design Associates
(NREL PIX)
• Sólidas fundações anti
congelantes
…mas também…

Eficiência

Menos Manutenção

Menos necessidade de espaço

Baixo custo operacional
Bomba de Calor Residencial

Capacidade estável

Conforto e qualidade do ar

Reduzido pico de eletricidade
para ar condicionado
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Componentes de um sistema BCFS
1. Conexão à terra

Acoplado ao solo

Água do solo

Água da superfície
2.
Bomba de calor de fonte
líquida
3.
Subsistema de
distribuição de
aquecimento/resfriamento
interior

3
2
1
Dutos convencionais
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Bomba de Calor de Fonte Líquida
• Bomba de Calor
Água-para-ar
• Direção Reversa
Compressor
Vapor de Alta Temperatura
e Alta Pressão
Vapor de Baixa Pressão
e Baixa Temperatura
• 3,5 a 35 kW de
refrigeração por
unidade
• Unidades múltiplas
para grandes
edifícios
Condensador
Evaporador
Líquido de Alta Pressão
e Alta Temperatura
Líquido de Baixa Pressão
e Baixa Temperatura
Válvula de Expansão
• Calor residual oriundo da compressão gera água quente
através de desuperaquecedor
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Tipos de Ligação à Terra
Vertical
Horizontal
Água do solo

Solo rochoso

Usa mais terra

Aquífero + Injeção

Mais caro

Menos caro

O menos caro

Pouca terra usada

Pequenos edifícios

Regulamentação

Alta eficiência

Variação de temperatura  Sujeira
•
Também trocadores de calor de água superficial e de coluna
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BCFS Recursos:
Temperaturas do solo
• O solo absorve aprox.
Metade da energia
incidente do sol
TEMPERATURA
• O solo atenua variações
de temperatura

BCFS mais eficiente
• Variação de temperatura
diminui com profundidade

Irrelevante abaixo de 15 m
INVERNO
OUTONO
VERÃO
Gráfico: Guia Canadense de Edifícios
• Temperaturas do solo no local dependem do clima, solo &
capa neve, declividade, propriedades do solo, etc…
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Exemplos de Custos de Sistema BCFS
Finlandia, casa com 150 m 2
custos
Calor Energia
iniciais Anual
Anual
Eletric.
8.000$
800$ 20 MWh
BCFS
13.000$
350$ 6,5 MWh
•
•
•
Custos com energia ascendentes
Preocupações ambientais
Ar condicionado é Bonus
Foto cedida por : Suomen Lämpöpumpputekniikka Oy
Connecticut, EUA, casa com 275 m 2
Custos Aquec. Refrig.
iniciais Anual Anual
Óleo/AC 16.000$ 600$
900$
BCFS
20.500$ 450$
600$
•
Foto cedida por : GeoExchange Consortium
Total Energia
Anual Anual
1.500$ 27 MWh
1.050$ 11 MWh
Concessionária subsidia cargas de
ar condicionado com menor pico
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Considerações sobre Projeto de
Bombas de Calor de Fonte Subterrânea
• Melhor relação de custo quando:

Necessita de aquecimento e refrigeração

Grandes variações sazonais de temperatura

Construção nova ou troca do HVAC

Para aquecimento: baixo custo de eletricidade e
alto custo de óleo e gás

Layout de trocador de calor,
Edifício Comercial
Instalação de BCFS
Para resfriamento: alto custo com eletricidade e
encargos por carga de pico
• Disponibilidade de equipamentos de
perfuração e escavação
• Incerteza sobre custo de instalação do
trocador
• Critério do cliente para determinação de
viabilidade econômica
Foto cedida por :
Craig Miller Productions and DOE (NREL PIX)
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Exemplos: Australia, Alemanha e Suíça
Sistemas de Edifícios Residenciais
•
Casas em extremos
elevados



•
Bomba de Calor de água do solo de 20 kW, Broca de Perfuração p/ poço
Alemanha
vertical, Residencia Suiça
Maior custo de capital
Visão de retorno de
longo prazo
Beneficios ambientais ou
de conforto
Foto cedida por :
Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.V.
320 Apartmentos, Sul Australia
Estímulo da
concessionária pode ser
um fator significativo
Foto cedida por : GeoExchange Consortium
Foto cedida por :
Eberhard & Partner AG
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Exemplos: RU e EUA
Sistemas de Edifícios Comerciais
•
Normalmente exigem retorno de
curto prazo (< 5 anos)
•
Disponibilidade de terra pode
ser um problema
•
Menor utilização de espaço
interno
•
Automação simples e distribuída
•
Reduzido risco
de vandalismo
•
Tarifas reduzidas de carga
na ponta
•
Desnecessário aquecimento
auxiliar
Edificio Comercial, Croydon, RU
Foto cedida por : Groenholland B.V.
Condominio de Edificios,
Kentucky, EUA
Foto cedida por :
Marion Pinckley (NREL PIX)
Posto de Gasolina, Kansas, EUA
Foto cedida por : International Ground Source
Heat Pump Association
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Exemplos: Canada e EUA
Sistemas de Edifícios Institucionais
• Retornos mais longos aceitáveis
Vala para Trocador Horizontal
• Mais receptivos a inovações
• Cargas de aquecimento e
refrigeração simultâneas
Foto cedida por : Robert R. Jones/Oklahoma
State University (NREL PIX)
Escola, Quebec, Canadá
Foto cedida por : Natural Resources Canada
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RETScreen® Bomba de Calor de Fonte
Subterrânea – Modelo de Projeto
• Análise mundial de produção de energia, custo do ciclo de
vida e redução das emissões dos gases de efeito estufa
Circuito fechado Horizontal & vertical
 Circuito aberto de água do solo
 Residencial, comercial,
institucional & industrial

• Atualmente não incluídos:
BCFSs águas superficiais
 Avaliações térmicas de longo prazo,
no solo
 Aquecimento & refrigeração
simultâneos (apenas cargas em bloco)
 Aquecimento de água

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RETScreen
®
BCFS Cálculo de Energia
Sistema BCFS
Entrada do usuário
Estimar
capacidade
instalada da
Bomba de Calor
Avaliar dimensão
do circuito do solo
ou vazão da água
do solo
Ver e-Manual
Análise de Projeto de Energia Limpa:
RETScreen® Engenharia e Casos
Capítulo de Análise de Projeto de Bomba de Calor
de Fonte Subterrânea
Edifício
Entrada do usuário
Dados climáticos
Entrada do usuário
Gerar relação entre
carga vs.
temperatura,
projetar pontos de
carga e de equilíbrio
Gerar gradientes
de temperatura
e calcular
temperatura do
solo
Calcular carga
do edifício para
cada depósito
Avaliar desempenho
da bomba de calor
atual e a capacidade
de cada depósito
Calcular aquecimento
suplementar ou
necessidade de
refrigeração e uso anual
de energia do sistema
BCFS (aquecimento e
refrigeração)
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Exemplo Validação do
RETScreen® Modelo de Projeto BCFS
•
•
Energia aquecimento
Uso da energia comparado para
compartimentos sintetizados
versus dados monitorados
Comprimento GHX comparado
a 6 programas de
dimensionamento e programa
de simulação detalhada
kWh
Toronto
Montreal
Charlottetown
Winnipeg
Vancouver
RETScreen
37.202
Monitorado
36.686
RETScreen
36.138
Monitorado
35.490
RETScreen
37.158
Monitorado
36.922
RETScreen
33.243
Monitorado
32.926
RETScreen
37.888
Monitorado
39.016
Projeto 1 ano *
Programa
Diferença %
1,4
1,8
0,6
1,0
-3,0
Projeto 10 anos
Residência 1
Louisiana
Residência 2
Wisconsin
Comercial
Nebraska
Residência 1
Louisiana
Residência 2
Wisconsin
Comercial
Nebraska
266
124
141
293
129
148
Média de outros
softwares
vs. RETScreen
Descritivo
257
-4%
135
9%
121
-14%
257
-12%
135
5%
121
-18%
vs. RETScreen
Uso de Energia
236
-11%
127
2%
132
-6%
236
-19%
127
-2%
132
-12%
vs. Atual
344
29%
160
29%
141
0%
344
17%
160
24%
141
-5%
* Valores do projeto de 1 ano usados para comparação com RETScreen
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Conclusões
•
•
BCFSs fornece aquecimento, refrigeração & água quente
•
Custos iniciais da BCFS são maiores, porém custos de O&M menores
O solo atenua variações de temperatura e ocasionam altas eficiências
da BCFS

•
Climas que requerem aquecimento e refrigeração são mais promissores
RETScreen® estima:

Distribuição de freqüência da temperatura externa

Cargas do edifício como função da temperatura externa

Beneficio do aquecimento ambiental e energia de refrigeração anuais
•
RETScreen® fornece análise de cálculo anual que pode ter precisão
comparável a modelos de simulações de horas
•
RETScreen® pode fornecer reduções significativas dos custos para
desenvolvimento do estudo de viabilidade
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Perguntas?
Módulo de Análise de Projeto de Bombas de Calor de Fonte Subterrânea
RETScreen® International Curso de Análise de Projeto de Energia Limpa
Para informações adicionais consultar a página Web do RETScreen em
www.retscreen.net
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