RESFRIAMENTO
GEOTÉRMICO EM
RESIDÊNCIAS
Tuane Emerick
Wânio Bossle Júnior
Willian Juvêncio
INTRODUÇÃO
• A climatização de residências é um aspecto muito importante para a garantia do conforto
térmico dos moradores. Segundo a norma ASHRAE (2010), o conforto térmico é “um
estado de espírito que reflete a satisfação com o ambiente térmico que envolve a
pessoa”.
• Os sistemas de climatização convencionais já vêm sendo utilizados há bastante tempo e
proporcionam o conforto térmico em diversos ambientes. Porém, apresentam como
desvantagem, o aumento significativo principalmente no custo de operação. É nesse
sentido que sistemas alternativos vêm sendo avaliados e, dentre eles, o uso do solo
como meio de resfriamento pode representar uma alternativa.
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REFERENCIAL TEÓRICO
• Segundo o PROCEL (2007), o Brasil consumiu um total 375.193 MWh de energia em
2006. Desse valor, 22,2% representa o consumo residencial, equivalente a cerca de 83
GWh de energia. No consumo residencial, o resfriamento/aquecimento de ambientes
representa 20%, contabilizando então 4,44% do consumo total brasileiro
(aproximadamente 17GWh).
• O termo geotérmica está relacionado ao uso do solo como meio de aquecimento e
produção de energia por meio da geração de vapor. E o uso da exploração do solo vem
crescendo mundialmente, cerca de 30% ao ano nos últimos anos (Egg&Howard, 2011).
Este tipo de aplicação exige que sejam realizados perfurações em altas profundidades
(de 70 até acima de 100 m).
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REFERENCIAL TEÓRICO
• Porém, usualmente o solo em profundidades menores (3 a 5 m) apresenta perfis de
temperatura ao longo do ano mais baixos (18°C a 21°C). Para estes níveis de
temperatura, é possível utilizar o solo como meio de resfriamento para aplicação
associadas ao conforto térmico em residências.
• Este tipo de sistema é denominado sistema geotérmico de captações rasas
(Egg&Howard, 2011) que se divide em sistemas abertos ou sistemas fechados. Os
sistemas abertos captam o ar do ambiente em uma extremidade de uma tubulação
enterrada, promovendo o resfriamento do ar diretamente. Este ar resfriado é insuflado no
ambiente em que se deseja a melhora das condições de conforto térmico. Já os sistemas
fechados utilizam fluido intermediário que percorre a tubulação enterrada no solo,
resfriando-se e pode promover o resfriamento do ar que é insuflado no ambiente ou o
resfriamento de fluido refrigerante no condensador de um sistema de climatização
unitário
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REFERENCIAL TEÓRICO
Figura 1 - Aspecto geral da tubulação
do sistema de geotermia utilizado por
Silva e Neto
Figura 2 - Perfil típico de consumo de
energia de uma família brasileira
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METODOLOGIA
• Definiu-se uma taxa de renovação de ar do sistema de 6 ren/h, já que verificou-se que
para taxas menores não se verificou melhorias significativas no conforto térmico dos
ambientes. Com base no volume dos cômodos selecionados, calcula-se a vazão e o
diâmetro da tubulação. Dessa forma, selecionaram-se tubos de polipropileno utilizado em
aplicações de esgotos pressurizados (Tigre, 2012) com diâmetro interno de 200 mm.
Com essas informações, é possível informar estas características para modelar o sistema
no Energy Plus (2012). Além disso, com o diâmetro da tubulação e a vazão total, calculase a perda de carga imposta pelo sistema, possibilitando assim a seleção dos filtros e o
ventilador a ser usado no sistema.
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METODOLOGIA
• Após trocar calor com o solo, a tubulação deverá entrar no forro da casa e a partir daí
distribuir o ar resfriado pelos ambientes em que se deseja atingir condições de conforto.
Para evitar que a tubulação se aqueça no caminho para o forro devido à exposição à
radiação solar, esta será colocada externamente a casa com uma proteção de cimento e
uma camada de isolante ao seu redor (manta de fibra térmica). A tubulação entrará no
forro próximo à sala e a partir desse cômodo se dividirá em 3 ramos que insuflarão a
vazão de ar adequada para os ambientes desejados. Para diminuir a radiação solar
incidente na tubulação, optou-se por realizar a entrada da tubulação na face sul da
residência.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
• Uma pesquisa realizada por Silva &Neto (2010) utilizou um sistema aberto de geotermia
em uma residência em Curitiba. O sistema, ilustrado na Figura 1 foi posicionado a 1m de
profundidade e propunha-se determinar o comprimento mínimo necessário para garantir
uma temperatura de 20ºC no verão e 16ºC no inverno. Inicialmente, a modelagem
utilizando uma tubulação de cobre chegou a comprimentos da ordem de 50 m e a partir
disso, foram utilizados outros materiais para verificar a influência desse parâmetro no
desempenho do sistema. Os resultados coletados mostraram-se muito semelhantes
(variando em cerca de 5%), indicando que o material do tubo não tem grande influencia
no desempenho deste sistema.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
• Os materiais de construção da residência foram definidos com base em materiais
utilizados em residências populares: as paredes são compostas de três camadas
(argamassa, tijolo e argamassa) e o teto e piso, compostos por uma camada de radier de
concreto.
• A família residente na casa foi considerada formada por 4 pessoas e pertencente a faixa
1 de consumo (0 a 200 kWh/mês). A ocupação dos moradores segue com maior
permanência na casa no período da manhã e após as 18 horas. Este perfil foi extraído de
relatório elaborado pelo PROCEL (2007) e é mostrado na Figura 3, onde se relaciona o
consumo de vários equipamentos na residência e seu respectivo horário de utilização.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
Figura 3 - Localização da tubulação e
da residência no terreno
• As letras minúsculas indicam os trechos
da tubulação, que foram dispostos
cumprindo-se as exigências de projeto
(como a distância entre tubos e a
distância dos tubos até o limite do
terreno) e totalizam 55 metros.
• A tubulação percorre o terreno trocando
calor com o solo a 3m de profundidade.
Assim, garante-se que não haverá
nenhum problema de intersecção dos
tubos do sistema com as tubulações de
água e esgoto, já que estas estão a uma
profundidade de 1m no solo.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
• Avaliação de conforto térmico: Será
utilizado o critério baseado no modelo de
conforto térmico adaptativo da ASHRAE
(2010). O modelo adaptativo é adequado
para ambientes não climatizados,
Figura 4 - Perfil de temperatura
comparando a temperatura com
e sem geotermia
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
• Avaliação das condições da residência sem geotermia:
Pinto (2013) apresenta a avaliação de conforto térmico da mesma tipologia de residência
com ventilação natural e sem o uso de geotermia. Pinto (2013) verificou que, com base nos
resultados das simulações realizadas onde a residência é posicionada em diferentes zonas
climáticas, a porcentagem de horas ocupadas para a faixa de 80% de satisfeitos ficou entre
40% a 60% para as zonas climáticas de São Paulo, Brasília, Porto Alegre e Rio de Janeiro,
onde também serão realizadas as simulações com o sistema de geotermia. Dessa forma,
pode-se inferir que o projeto da residência aqui analisada carece de melhores condições de
conforto térmico.
• Avaliação das condições da residência com geotermia:
Para o estudo aqui realizado, foram avaliadas sete configurações diferentes com base nos
resultados das suas respectivas simulações, variando-se alguns parâmetros de projeto e
observados os resultados em termos de conforto térmico, sendo que na Tabela 1 estão
listadas as configurações utilizadas para análise.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
Verificou-se que a aplicação do uso de geotermia aumentou a porcentagem de horas
ocupadas em conforto térmico de 40 a 60% (sem geotermia) para 70 a 95%. Porém este
aumento se restringe aos meses típicos de verão (novembro a fevereiro) e com o efeito
desprezível nos meses típicos de inverno (maio a julho). Comparando os resultados obtidos
das diversas configurações analisadas e tomando-se como referência a configuração 1,
verifica-se que para a residência analisada:
- Comprimentos maiores que 40 m promoveram aumentos menores que 1% na porcentagem
de horas ocupadas em conforto térmico;
- Aumentos na vazão de ar não modificaram significativamente a porcentagem de horas
ocupadas em conforto térmico (menor que 1%);
- Maiores períodos de operação também não mudaram significativamente a porcentagem de
horas ocupadas em conforto térmico (menor que 1%).
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CONCLUSÃO
• Com base nas análises realizadas, podemos inferir que a aplicação de sistemas de
geotermia com captação rasa pode ser considerada uma solução alternativa viável do
ponto técnico e econômico. Como estudos futuros, pode-se recomendar a análise de
alternativas para a execução do sistema de geotermia visando a redução do custo inicial
de instalação, tornando o sistema ainda mais viável para o uso em residências no Brasil.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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buildings in a desert climate. Building and Environment 2006. Vol. 41, p. 235 - 244.
• ASHRAE 2010. ASHRAE Standard 55, American Society of Heating, Refrigerating and Air
Conditioning Engineers Inc. Atlanta, 35 p.
• BANSAL, V. et al, 2009. Performance analysis of earth–pipe air heat exchanger for winter
heating. Energy and Buildings 2009. Vol. 41, p. 1151 - 1154.
• BISONIYA, T. S. et al, 2012. Experimental and analytical studies of earth–air heat
exchanger (EAHE) systems in India: A review. Department of Energy, Maulana Azad
National Institute of Technology, India. 9 p.
• CHINELLATO, F. P. 2013. Análise de conforto térmico em sistema de ventilação com
geotermia. Trabalho de Conclusão de Curso. Engenharia Mecânica, Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo, 61 p.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• EGG, J.; HOWARD, B. C, 2011. Geothermal HVAC: Green Heating and Cooling. McGraw Hill
Companies, Inc., 272 p.
• ENERGY PLUS, 2012. Energy Plus Engineering Reference. United States, 1273 p.
• PINTO, M. L. 2013. Conforto Térmico em Casas de Baixa Renda. Trabalho de Conclusão
de Curso. Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, 103
páginas.
• PROCEL, 2007. Avaliação do mercado de eficiência energética no Brasil: Pesquisa de
posse de equipamentos e hábitos de uso - ano base 2005, Programa Nacional de
Conservação de Energia Elétrica. Rio de Janeiro, 187 p.
• SEHLI, A. et al, 2012. The potential of earth–air heat exchangers for low energy cooling of
buildings in South Algeria. Energy Procedia. Chapter 18, p. 496 - 506.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• SILVA, D. R. B.; NETO, A. I. ENTAC 2010: Dimensionamento de sistema geotérmico para
climatização de residências em Curitiba. Departamento de Construção Civil - Universidade
Tecnológica Federal do Paraná, Brasil, 11 p.
• TIGRE, 2012. Infraestrutura de Esgoto - Catálogo Técnico. Disponível em
http://www.tigre.com.br/pt/catalogos_tecnicos.php. Acessado em 14/11/2012.
• WOODSON, T. et al, 2012. Earth - air heat exchangers for passive air conditioning: case
study Burkina Faso. Journal of Construction in Developing Countries. Chapter 17, p. 21 33.
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