Introdução às Bombas de Calor
Geotérmicas
Luis Coelho, João Garcia, Rita Cerdeira,
Nelson Tavares
Instituto Politécnico de Setúbal, ESTSetúbal,
Portugal
EUROPEAN
COMMISSION
GroundMed Seminar, Coimbra, 26 September 2013
Objectivo
• Demonstrar a utilização de Bombas de Calor Geotérmicas
(GSHP – Ground Source Heat Pumps), em sistemas de
climatização de edifícios;
• Fazer um enquadramento dos projetos de desenvolvimento
das aplicações de GSHP com a participação do IPS;
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Energia Geotérmica
O termo Energia Geotérmica é utilizado para indicar a porção de calor do
interior da terra que pode ser utilizada e explorada pelo homem como
fonte de energia renovável.
http://www.terrapass.com/blog/posts/can-you-afford
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3
Caracterização dos Sistemas de Energia Geotérmica
• En.Geotérmica de alta entalpia (T> 140º)
– Produção de energia elétrica
• En.Geotérmica de média ent. (80º< T< 140ºC)
– Produção de energia elétrica
• En.Geotérmica de baixa ent. (60º< T< 80ºC)
– Utilização de energia térmica direta
http://www.enviroliteracy.org/article.php
• En.Geotérmica de muito baixa entalpia (15º<T<60ºC)
– Utilização de energia térmica direta
– Utilização de energia térmica indireta (GSHP)
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Aquecimento e Arrefecimento
• TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA DE E PARA O EDIFÍCIO
(Aquecimento e arrefecimento ambiente)
Calor
Calor
Aquecimento
(Tout<Tin)
Arrefecimento
(Tout>Tin)
• É impossível transferir espontaneamente calor de A para B se TA < TB
2ª Lei da Termodinâmica
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Aquecimento e Arrefecimento
Aquecimento por resistência elétrica
Comb.
Fósseis
+ RES
Aquecimento
7000 kWh/ano
2,4 kg CO2eq
Elect.
7000 kWh
2030 kgep
7000 kWh
Produção Eléctrica
Fp=0,29 kgep/kWhe
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Aquecimento e Arrefecimento
Aquecimento por caldeira a combustão
Aquecimento
7000 kWh/ano
0,78 kg CO2eq
Comb.
Fósseis
Elect.
7000 kWh
654 kgep
7609 kWh
Combs. Fósseis
Fp=0,086 kgep/kWhe
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(η=92%)
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Bombas de Calor Aerotérmicas: Aquecimento e
Arrefecimento
Ar Ambiente
5000 kWh
0,70 kgCO2
Comb.
Fósseis
+ RES
Elect.
580 kgep
Aquecimento
7000 kWh/ano
Água quente
7000 kWh
2000 kWh
Produção Eléctrica
Fp=0,29 kgep/kWhe
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Bomba de
Calor
(SPFh=3,5)
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Bombas de Calor Geotérmicas: Aquecimento e
Arrefecimento
• REDUÇÃO DO CONSUMO DE EP; REDUÇÃO DE EMISSÃO DE CO2:
36% (HP-air); 82% (ele. resist); 44% (boilers);
(SPFh=5,5)
0,44 kgCO2
Comb.
Fósseis
+ RES
Bomba de
Calor
Água quente
Elect.
369 kgep
7000 kWh
1272 kW
5728 kW
Produção Eléctrica
Fp=0,29 kgep/kWhe
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Aquecimento
7000 kWh/ano
Solo, Geotermia
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Bombas de Calor Geotérmicas:
• É uma tecnologia fiável e provada mas ainda com forte potencial de
desenvolvimento;
• Novos fluidos; novos equipamentos; associadas a outras renováveis (ex.
solar); etc;
• Reduz os custos de aquecimento e arrefecimento entre 25% a 75%;
Reduz significativamente as emissões de CO2;
• Aumenta o valor do ciclo de vida do edifício;
• Promove o conforto nos edifícios (menor ruído, menor impacto visual);
• Protege o ambiente;
• Promove o desenvolvimento sustentável da utilização energética.
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Vantagens das GSHP (em termos de eficiência):
•
Temperatura da água:
– Cerca de 15 ºC – 19 ºC (depende da região, ex. Setúbal, 18 ºC);
• Estável na maior parte do ano;
– Permite:
• Eficiência no aquecimento ambiente,
• Eficiência no arrefecimento ambiente,
• Eficiência na preparação de AQS.
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Vantagens das GSHP (em termos de eficiência):
•
Em termos teóricos, a eficiência de uma bomba de calor
depende das temperaturas entre as quais é trocada energia sob a
forma de calor:
Ciclo de refrigeração reversível
EER  COPR 
QH
1
1
 EER 
QL  1
TH TL  1
Ciclo bomba de calor reversível
COPHP 
1
1
 COPHP 
1  QL QH
1  TL TH
Nota: Temperatura em Kelvin
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Vantagens das GSHP (em termos de eficiência):
As soluções reais de bombas
de calor ainda estão muito
longe das eficiência máximas
possíveis.
Ciclo bomba de calor reversível
160,0
140,0
No entanto, seguem a
mesma tendência
120,0
COPheat
100,0
80,0
60,0
40,0
COPHP 
20,0
0,0
-10
-5
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0
3,5°C 5
Temp. Ext. (ºC)
10
15
18°C
1
1  TL TH
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Nota: Temperatura em Kelvin
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GSHP
• Desvantagem:
– Custos de instalação mais elevados
• Furos geotérmicos: 35 - 45 euros/m
• Balanço Financeiro:
– Tempo de recuperação de investimento adicional a partir de 3 anos
conforme os casos:
• Ponto critico: Estudo de viabilidade económica adequado. Mais
vantajoso em edifícios com ocupação prolongada como hotéis, hospitais,
edifícios residenciais.
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GSHP
• Constituição de um sistema de GSHP:
1) Circuito primário de água:
• Captação geotérmica: furos, captação horizontal;
• Permutadores de calor enterrados (Ground Heat Exchangers – GHE);
• Bombas de circulação, tubagens, colectores, equipamentos auxiliares.
2) Produção de calor/frio pelas GSHP
3) Circuito secundário de distribuição de água ou ar, (idêntico a outras
bombas de calor ou caldeiras):
• Redes de tubagens (2 ou 4 tubos) e condutas de ar; ventilo-convectores;
UTAs; chão/teto aquecido/arrefecido, sistemas de displacement.
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GSHP – Princípio de Funcionamento
Source: CIAT
Circuito Secundário
Circuito Primário
Produção (GSHP)
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GSHP
• Circuito Primário:
–
Circuitos abertos:
• Furos para extracção e para injecção de água (10 – 50 m);
• Água de minas ou túneis
– Circuitos fechados:
• Permutadores enterrados, circuitos verticais (60 - 250 m);
• Circuitos horizontais (1,2 – 1,5 m);
• Troca de calor em águas de lagos, rios, mares (não geot.).
Rohre in Graben
Verteiler im Haus
Grundwasserspiegel
Pumpe
Source:
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Serienschaltung
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GSHP
• Permutadores de Calor Geotérmicos Verticais:
Simple coaxial Complex coaxial
Tubo de Separação
Acessórios
Coaxial Simples
Tubos de
Permutador
Single-U-pipe
Double-U-pipe
25-32 mm
Coaxial Complexo
Single-U-pipe
Double
25-32 mm
Peso de Fundo
Simple coaxial
Bentonite
+
cimento
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Duplo “U”
Complex coaxial
Simples “U”
Simple coaxial
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Complex
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GSHP
–
O ponto crítico da GSHP em termos de viabilidade económica é o
custo dos furos e dos respetivos permutadores enterrados.
–
Existem modelos numéricos para prever o desempenho dos furos com
base na resistência térmica desses furos.
–
Uma boa previsão necessita de um bom modelo e de um bom
conhecimento das propriedades do solo. No entanto poderão existir
desvios
locais
das
propriedades
do
solo,
relativamente
às
propriedades típicas da região.
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GSHP
–
Portanto, para se obter uma solução eficaz é necessário
complementar as previsões numéricas com testes locais (Testes
resposta térmica, Thermal Response Tests -TRT)
Heating
mode
Tf
Cooling
mode
Tg
R
Double-U pipe
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GSHP
–
O fluxo de calor específico transferido entre o fluido e a parede do
revestimento pode ser obtida por:
Grout material
q
(T f  Tbw )
Rb
Pipe material
(W / m)
Tf
Tbw
Double-U pipe
–
Resistência térmica furo depende de: material de enchimento; material
dos tubos, diâmetro do furo; características do escoamento do fluido
(turbulento, laminar, configuração do permutador, etc.).
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GSHP
• Sistema GSHP valores típicos:
• Custo da instalação:
– GSHP ligado em circuito aberto em furos de água: 600-1000 €/kWth
– GSHP ligado em circuito fechado a GHE : 1000-1500 €/kWth
• Custo de funcionamento
(electricidade e manutenção):
– 0,015 – 0,028 € / kWhth
• Custo total de aquecimento/arrefecimento
(5% de depreciação / 20 anos de vida):
– GSHP: 0,038 – 0,048 € / kWhth
– Gasóleo: 0,065 €/kWhth
Gás Natural : 0,058 €/kWhth
– Arrefecimento com bombas de calor a ar: 0,06 €/kWhth
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Facilidade de integração com outros
sistemas:
• Possibilidade para aquecimento, arrefecimento, preparação de A.Q.S,
aquecimento de piscinas;
• Facilidade de integração com energia solar térmica e fotovoltaica;
• Facilidade de integração com sistemas de armazenamento de energia
(aquecimento/arrefecimento) incluindo armazenamento no sub-solo;
• Facilidade de integração com outros sistema de climatização;
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Projecto GROUNDHIT – Demonstração em Portugal
–
Objetivos Demo Site (GSHPs application) em Setúbal, Portugal;
–
Monitorizar o protótipo (#1) do projeto Groundhit com a melhoria
da eficiência energética (COP= 5,5) em condições reais;
–
Testar duas configurações de permutadores de calor enterrados
(Boreholes Heat Exchangers - BHE), double-U pipes e coaxial
pipes.
Lisbon
Setúbal
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Projecto GROUNDHIT – Demonstração em Portugal

DEMO SITE em PORTUGAL

Duas bombas de calor geotérmicas (GSHP, #1) (2 x 15 KWheating; 2 x
12 KWcooling);

5 Furos geotérmicos (Boreholes) (5 x 80 m = 400 m)


Permutadores de calor enterrados : 3 “Double U” e 2 “Simple
Coaxial”
Sistema AVAC : Ventiloconvetores a dois tubos (duas linhas
independentes):

Duas salas de aulas;

Sete gabinetes;
Design load calculations done by HAP4.31 software code from Carrier
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Projecto GROUNDHIT – Demonstração em Portugal

Esquema dos circuitos primário e secundário de distribuição de água:
West
GS
HP
-A
GS
HP
-B
3.35
2.47
0.00
East
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Projecto GROUNDHIT – Demonstração em Portugal

Central de aquecimento e arrefecimento:
- Duas GSHP (15 kWheat cada);
- Coletores do circuito primário (ida e retorno)
- Sistema de aquisição de dados;
- Duas linhas de distribuição independentes
(circuito secundário)
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Projecto GROUNDHIT – Demonstração em Portugal
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28
Projecto GROUNDHIT – Demonstração em Portugal
EUROPEAN
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29
Projecto GROUNDHIT – Demonstração em Portugal

Energia de aquecimento produzida e respetivo COP.

O valor máximo de COP obtido foi de 6.05, para uma potência de aquecimento de
12.11kW e uma potência elétrica de 2 kW (média horária e 30/35ºC).
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30
GSHP
(Fonte: EGEC)
• Devemos aproveitar a experiência noutros
países, adaptá-la às condições em Portugal e
desenvolver a implementação de GSHP.
• Algumas atividades têm sido feitas, como por
exemplo a participação em Projetos Europeus.
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(Fonte: DGTREN)
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Projectos I&D
• Participação da ESTSetúbal em Projectos Europeus I&D sobre
GSHP:
– GROUND-HIT project (Ground Coupled Heat Pumps of High
Technology):
• FP6 (http://www.groundhit.eu/)
– GROUND-REACH project (Meeting the Kyoto Targets Through Large
Scale Introduction of Ground Source Heat Pumps (GSHP) in the Built
Environment):
• IEE (http://www.groundreach.eu/)
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Projectos I&D
• Participação da ESTSetúbal em Projectos Europeus I&D sobre
GSHP:
– IGEA project (Integration of Geothermal Energy Into Industrial
Application):
• IEE (http://www.saunier-associes.com/igeia/)
– LOWBIN project (Efficient Low Temperature Geothermal Binary Power)
(Produção de electricidade) :
• FP6 (http://www.lowbin.eu/)
– GROUNDMED project (Advanced Ground source heat pump systems for
heating and cooling in Mediterranean climate):
• FP7 (http://www.groundmed.eu/)
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Projectos I&D
• Participação da ESTSetúbal em Projectos Europeus I&D sobre
GSHP:
– IGEA project (Integration of Geothermal Energy Into Industrial
Application):
• IEE (http://www.saunier-associes.com/igeia/)
– LOWBIN project (Efficient Low Temperature Geothermal Binary Power)
(Produção de electricidade) :
• FP6 (http://www.lowbin.eu/)
– GROUNDMED project (Advanced Ground source heat pump systems for
heating and cooling in Mediterranean climate):
• FP7 (http://www.groundmed.eu/)
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GSHP nas instalações do SinesTecnopolo
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35
GSHP nas instalações do SinesTecnopolo
• Edifício existente:
• Área total de pavimento: 251 m2
• Potência:
• Arrefecimento: 18,4 kW
• Aquecimento: 24,5 kW
• Sistema: ventilo-convectores a dois tubos
• GSHP: 1 unidade
• Furos: 360 m (2 x 180 m), “simples U”m (2 furos x 150 m)
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GSHP nas instalações do SinesTecnopolo
• Edifício de laboratórios:
• Área total de pavimento: 600 m2
• Potência:
• Arrefecimento: 38,0 kW
• Aquecimento: 50,8 kW
• Sistema: ventilo-convectores a dois tubos e UTAN
• GSHP: 1 unidade
• Furos: 540 m (3 furos x 180 m)
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GSHP nas instalações do SinesTecnopolo
• Edifício de escritórios e restaurante:
• Área total de pavimento: 1332 m2
• Potência:
• Arrefecimento: 76 kW (2x38,0)
• Aquecimento: 101,6 kW (2x50,8)
• Sistema: ventilo-convectores a dois tubos e UTAN
• GSHP: 2 unidades
• Furos: 1800 m (10 furos x 180 m)
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Conclusões
• A utilização de bombas de calor geotérmicas é uma alternativa viável na
climatização de edifícios permitindo a redução do consumo de energia,
das emissões de CO2 e dos custos de exploração dos edifícios;
• Com o desenvolvimento tecnológico e de mercado, as GSHP estão a
tornar-se cada vez mais competitivas;
• Existe um quadro de oportunidades para a sua implementação em
Portugal;
• Existe, no entanto, a necessidade de se efectuarem estudos adequados
de implementação para aproveitar o seu potencial de forma eficaz. Um
mau estudo pode tornar uma potencial optima solução na pior de todas
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MUITO OBRIGADO
PV
The
rma
Passive
l
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40