Sistemas Geotérmicos de AVAC
Luciano de Almeida Marcato
Ger. Produtos Daikin Applied
AGENDA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Energias Renováveis em Foco
Energia Geotérmica
Fundamentos Bomba Calor
Conceito e Fundamentos Sist. Geotérmicos
Tipo de Loops de Sist. Geotérmicos
Loop Vertical Fechado – Dimensionar Troc. Calor
Sistema Híbrido Geotérmico
Considerações
Regras & Diretrizes de Projeto de Sist. Geotérmicos
1.
Energias Renováveis em Foco
1.
Energias Renováveis em Foco
1.
Energias Renováveis em Foco
1.
Energias Renováveis em Foco
2. Energia Geotérmica
1.
Energias Renováveis em Foco
Uso direto e indireto
Energia Geotérmica
Energia Geotérmica – Uso indireto
Energia Geotérmica : uso direto - AVAC
Energia Geotérmica do Sol
Espaço
17% refletido
pela nuvens
6% refletido
pela superfície
100%
O subsolo da Terra é um reservatório de até 46% da energia solar Ea
19% absorvido
por poeira e vapor
d´água
Atmosfera
4% absorvido
pelas nuvens
46%
absorvido
pela terra
Terra
The earth is like a solar battery absorbing nearly half of the sun’s energy.
The ground stays a relatively constant temperatura through the épocas,
providing a warm source in winter & a cool heat sink in summer.
12
U.S. Dept. of Energy
Sistemas Geotérmico ~ Visão Geral & Introdução
12
Energia Geotérmica
A 0.3 m de profundidade a
temperatura do solo varia
19.5°C
A 2.0 m de profundidade a
temperatura do solo varia
8.3°C
A 5.0 m de profundidade a
temperatura do solo varia
menos que Um Grau ( 0.55°C )
Desprezível abaixo de 15 metros
Enquanto o Sol brilhar e
houver calor no centro
da Terra estamos OK .
A energia está aí para
ser usada e aproveitada
Temperatura do subsolo depende do clima , localização geográfica , tipo de
solo , inclinação do terreno , propriedades do solo , cobertura de neve
Energia Geotérmica
Energia Geotérmica – Uso Direto
Temperaturas de água subterrânea
*
Temperaturas de água subterrânea
*
BTR = Banho ,
Recreação e Turismo
PIS = Potencial de
Aquecimento e de uso
Industrial
TDB = Terapêuticas ,
Banho e Bebidas
Potencial de Uso de Energia Geotérmica
*
3.
Fundamentos Bomba Calor
Aquecimento e Resfriamento Geotérmico
É indicado para este edifício ? Posso usar ? Se sim ,
como? geotérmico
Por que?aquecimento e resfriamento
Baixos custos de operação ,
sustentável/verde, bem ajustado
as demandas do edifício.
Gás Natural não disponível
Áreas Rurais - Óleo ou Propano
Área do Loop localizada abaixo
do estacionamento ou campos
Construções Novas e Retrofits
Planta Central (Loop Geotérmico
, Central de Bombas ) podem ser
construídos em paralelo a
construção
21
O que são Sistemas de aquecimento e
resfriamento geotérmicos?
Sistema Torre / Boiler – 1970’s
EWT = 15.5 a 38°C.
2.0 GPM a 3.0 GPM / ton.
Loop de Temperatura controlada
Boiler opera abaixo de 15.5°C.
Torre opera acima de 29.5°C.
Loop de Sistema Geotérmico - indireto
Sem torre de resfriamento
Sem boiler
Subsolo ( terra / água ) são meio
de dissipação do calor
Loop de Temp. não controlado.
Usar tubos de polietileno.
Poços espaçados de 15-25 ft
Sem economizadores lado ar .
Sistema de Aquecimento elétrico
Sem gás natural
24
Componentes WSHP
Compressor
Moto-Ventilador
Serpentina
Filtros
Condensador
Válvula Reversora
Caixa de Força
Controle DDC
25
25
Como a unidade WSHP funciona
Condensador Tubo Tubo
Tipo Coaxial Refrigerante Água
Entrada de Refrigerante
Saída de Água
Modo resfriamento
Saída de Refrigerante
Entrada de água
Contra fluxo no modo resfriamento & Fluxo Paralelo no Modo Aquecimento
Tipos de Unidades HVAC Geotérmico
Horizontal montagem em forro
½ a 10 TRs
WSHP Vertical
¾ a 6 TRs
Console
½ a 1½ TR
Verticais - 6 a 25 TRs
Templifiers
High-Rise
¾ a 3 TRs
Chiller Água-água
3 a 35 TRs
Rooftop - 3 a 35 TRs
Benefícios de bomba de calor geotérmico
Bombas de Calor Geotérmicas
circulam água através de loop de
tubulações enterradas onde é
naturalmente aquecida ou resfriada
pela Terra
29
29
Terra
pode ser
usada para
rejeitar
calor no
Benefícios
de bomba
de calor
geotérmico
verão
Temperatura Ambiente =
35°C ( 95°F )
23°C
10°C
Bombas de Calor Geotérmicas transferem calor do edifício
para o subsolo no modo resfriamento
Terra é uma boa fonte de calor no inverno
Temperatura Ambiente =
-20.5°C ( -5°F )
22°C
10°C
Bombas de Calor Geotérmicas transferem calor do subsolo
para o edifício no modo aquecimento ( Heat Pump )
Sistema AVAC convencional Gás/Elétrico
(carga)
Modo
Aquecer
1.6 kWhThermal
Perdas de
Geração &
Transmissão
Power
Plant
Ventilador 0.5 kWh Thermal
Gas 9.5 kWh Thermal
Total 10.0 kWh Thermal
0.5 kWh ELEC(Ventilador power)
Ventilador
(Fonte)
14.6 kWhThermal
Caldeira
Gas 13.1 kWhThermal
11.8 kWhThermal
Caldeira
Gas 80% Eff.
9.5 kWh Thermal
O Sistema de Gás natural tem perdas de transmissão da ordem de 10% , mais as perdas da
caldeira à gás . Também é necessário usar energia elétrica para rodar os ventiladores .
Então o total de energia necessária para gerar 10 kW de aquecimento é de 14.6 na fonte .
Isso nos dá uma eficiência total / global de 68%
Bomba de Calor Geotérmica
Modo
Aquecer
Perdas de Geração & Transmissão
Fonte
9 kWh T
Usina Força
2.7 kWh E
Bomba Calor
Geotérmica
COP = 3.7
carga
10 kWh T
Bomba de Calor Geotérmica somente requer de
9 kWhT da fonte primaria de energia para
fornecer 10 kWhT para o edifício pois tem boa
eficiência ( COP de 3.7 )
Avaliando projeto de Sistema Geotérmico
Somente Sistema Geotérmico pode ser considerado?
Existe Budget para o Sistema de AVAC , geotérmico ou não ?
O cronograma permite tempo necessário para instalar Sist.
Geotérmico ?
Existe planejamento do tempo necessário para fazer o Loop ?
Pode o Loop Geotérmico ser instalado antes da construção do
edifício começar ?
Determine qual Loop geotérmico é a melhor opção
Loop Geotérmico Fechado
Opções
( conexão com subsolo )
Loop Fechado
de Lagos/Águas
de Superfície
Loop Vertical fechado
35
Loop Horizontal Fechado
Loop Horizontal Fechado
 Valas de 1 a 3 m
de profundidade
 Abaixo de 1,5
metros pode
requerer reforço
lateral nas paredes
 Temperaturas de
entrada de água de
-1,0° a 43°C
Exemplo – Estado Unidos
LOOP HORIZONTAL

Bom Custo benefício quando terra é barata

Necessita de 232 m2 por TR

Valas com 3,0 m ou mais de profundidade
geotérmico Loop projeto
Software

37
Para produzir 1 TR de capacidade

Valas com aproximadamente 90 m

Comprimento total ida e volta de 180 m
Loop Horizontal Fechado
 Melhor para uso de área
não limitada
 Necessita de 232 m2 por TR
 Usualmente 45 a 70 metros
de vala por TR
 Requer uso de software de
cálculo de tubulação
Loop Horizontal Típico
SAÍDAS
CIRCUITOS
Loop Helicoidal
Software de projeto Loop geotérmico

Para produzir 1 TR de capacidade


40
Valas com aproximadamente 35~40 m
Comprimento total ida e volta de 200~220 m
Loop Helicoidal
10 TRs = 10 valas de 1 TR
Valas de 38m com aprox. 183 m
de tubo de ¾”
140 m2 por TR
41
Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície




Temperaturas de
entrada de água
1.5°C a 30°C
Profundidade de
água - Mínimo de
2.4 m. Média de 3 a
3.5 m & até 6 m.
Média de 15 TR por
acre & até 85 TR
por acre
Ancorar o loop ao
fundo do lago /
reservatório
( 1 acre aprox. 4050 m2 )
Surface água / Lake Loop
Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície
Verão - Resfriamento Evaporativo - Inverno = Calor vem do subsolo
1.
44
Energias Renováveis em Foco
44
Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície
45
45
Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície
Loop Vertical Fechado

Profundidade dos poços
de 60 a 180 m

Espaçamento entre
centros dos poços de 4.5
a 7.5 m ( uso comercial )

Temperaturas de Água 1,0 a 43°C.

Projetado usando arranjo
de tubulação com
retorno paralelo reverso
Avg Depth
Avg Depth
Avg Depth
Loop Verticais Fechados
When Loops are
Um Par s
Série
/ Paralelo
hallower
than
one ton per loop
UmPair
Par
One
Poços de 60 a 75 m/TR
(Residencial)
Poços de 60 a 125 m/TR
(Comercial)
48
Two Pair
Dois Pares
Series/Parallel One Pair
Loop Vertical Fechado
Poços
Diâmetro de 4”, 5” e 6”
U-bends ¾”, 1” or 1¼”
argamassa
49
49
1.
Energias Renováveis em Foco
U-Bend
50
50
Exemplo de instalação geotérmica
Loop Vertical Fechado
A

Melhor opção para espaço
limitado

Requer aprox. 24 m2 de
área de superfície por TR
• 3 circuitos
• 8 poços/circuito
A
1.
Energias Renováveis em Foco
Conexões
típicas
53
53
Exemplo de instalação geotérmica
Antes
Depois
Exemplo de Sala Técnica
Escola Elementar
Loop vertical 1,0 Pol,
Juntas Termofusão
com conexões
flangeadas
1.
Energias Renováveis em Foco
Respiros
Válv. Isolamento
Coletores Múltiplos
Secundarios (3 Pol.)
Sensores de
Pressão/Temperatura
Coletor Principal
( 8 Pol.)
56
56
Caixa Típica- Poço do Coletor
Casa de Máquinas
Bombas
Hidrônicas
Geotérmicas
Primária e
Reserva
58
Exemplo de instalação geotérmica
Caixa de
Coletor
Campo de Loop
Tubulação PEAD
Teste de
Pressão
59
59
Loops Verticais
Tubulação Plástica:
Polietileno de Alta Densidade
PE AD(PE 3408)
 1 Pol. – Poços de 60 a 90 m profundidade
 1¼ Pol. – Poços de 75 a 125 m profund.
 Tubos de PEAD de 2 a 12 Pol. Diâmetro
são usados para coletores do Loop
Curvas tipo U-Bend
Com juntas de termo fusão
60
60
Métodos de União de Tubulação
• Tubulação pode ser unidas com juntas tipo sela , soquete ou soldadas
• Acessórios de ancoragem mecânica são recomendados
• Garantia de 50 anos no Loop
Junta Termo Fusão tipo Sela
61
Junta Termo Fusão tipo Soquete
Sistema Geotérmico: Diretrizes de projeto
• Tipicamente 2.4-3.0 GPM/TR – coletor de 4,0 Pol/ 30 m de loop
• Dimensionar loop com base nas cargas de pico de resfriamento e
aquecimento
• Temp. entrada água projeto (verão) é 32°C; 5.5°C abaixo máx.. temp.
exterior
• 1 TR por poço, 3 GPM/tTR, (3) poços de 69 m = 3 tons ??
• Temp. entrada água projeto (inverno) é 0 a 4.5 °C; 22°C acima mín. temp.
exterior
• Use unidade bomba para calor carga de resfriamento total & sensível .
• Determinar condutividade térmica do solo – teste em campo.
• Selecione unidades com no mínimo 3.0 COP(14.0 EER) e PD 4 mCA
máximo
Como projetar Sistema de Loop
Geotérmico Vertical Fechado
• Cargas do Edifício – quanto calor estamos extraindo ou rejeitando
• Selecione unidades bomba calor para atender cargas totais e
sensíveis
• Determine as características do solo
• Selecione a geometria , tipo de argamassa e dimensione o loop TC
• Configure o TC e determine a perda de carga total do sistema
• Determine se é necessário anti-congelante e selecione as bombas
As cargas do edifício determinam o tamanho do trocador
geotérmico !!! E NUNCA o contrário ...
Resfriamento: Quanto calor estamos rejeitando para o solo ?
Aquecimento: Quanto calor estamos absorvendo do solo ?
Resistência Térmica do Borehole
•
•
•
•
Água
Resistência da Tubulação
– Diâmetro Interno
– Diâmetro Externo
– Condutividade do Material do tubo
Argamassa
Resistencia do Solo
– Propriedades do solo
• Condutividade Térmica
• Densidade
• Calor Especifico
– Espaçamento
Propriedade do Solo
Menor Resistencia
significa um loop
geotérmico mais curto
Teste de Condutividade do Solo em campo
Ótima maneira de determinar ou confirmar
condutividade do terreno
Fonte Contínua
de Água Quente
Medidor de Energia
Sistema de Aquisição de Dados
volts
amps
Aquecedor
Bomba
Temp. de Entrada
Temperatura de Saída
Sensor de Fluxo
Trocador de Calor no poço (grouted)
65
65
Dimensionamento de Loop Geotérmico
Programas de
Dimensionamento
De Loop Geotérmico
Top 3
G L projett
Mountain View, CA
GLHEPRO
GchpCalc
66
66
IGSHPA
ENERGY INFORMATION
SERVICES, Tuscaloosa, AL
Layout do Loop / Tubulações
67
3 Circuitos com 8
cada circuito
Coletor com
tubos 2,0 Pol.
Arranjo de Loop de
24 TRs nominais
Poços Verticais
de 90 m com UBends 1¼ Pol.
Projeto do Coletor Principal
Considerações projeto
Dreno de Ar e Sujeira
Baica Perda de Carga
Fluxo Turbulento
69
69
Cálculo do Sistema de Bombas
Somar todas
Perdas de
Carga e
selecionar
Bombas
Cálculo das Perdas de Carga e Sistema de
Bombas
Não “mate” um sistema eficiente com alta perda de
carga e alto consumo de bombeamento
• Siga o critério de Kavanaugh’s para sistemas de poços
verticais
HP Bomba/100 tons
5
5 - 7.5
7.5 - 10
10 - 15
>15
Nível
A -- Excelente
B -- Bom
C -- Mediocre
D -- Pobre
F -- Ruim
Bombeamento Distribuído
Artigo mostrando
alguns benefícios do
sistema de
bombeamento
distribuído
Engineered Systems
Maio 2012
Esquema Típico Geotérmico
Bombas Secundário com VFD
Indoor piping with units
Bombas Primárias funcionam
24/7 e consomem muita energia
Bombeamento Distribuído - Economia
Reference: Geothermal Heat Pump Systems, GeoExchange Technology, Curtis J. Klaassen, P.E.
Iowa Energy Center, Energy Resource Station
Loop de Bombas Instaladas em fábrica
Reduz custos de bombeamento
Bomba funciona intertravada
com o Compressor
Sem válvulas de controle
Cada unidade tem capacidade de bombear
água em todo o sistema
60 ton maximum
piping loop (180
GPM) and 40’
(30’+ 10’ unit)
max. head
Assume the job is (20) 3-ton
units at 9 GPM each – see
next slide
Loop de Bombas Instaladas em fábrica
Bombeamento distribuído ou descentralizado
Projetadas para sistemas geotérmicos
sem bombeamento central
Uma ou Duas Bombas são instaladas em cada
unidade e circulam água quando compressor
entra em funcionamento . Bombas instaladas
em série e não existe sistema central de
bombeamento
Deve ter muito critério na aplicação e projeto ,
pois todo sistema deve ser corretamente
dimensionado para este tipo de bombeamento
Sistemas Geotérmico Híbridos
Sistema Geotérmico Híbrido
 O que é um projeto “híbrido”?
 projetando um sistema “híbrido”
 SEMPRE é possível reduzir o custo inicial
de um sistema geotérmico .
 Use em qualquer caso onde haja
desbalanceamento das cargas de
resfriamento e aquecimento , tipicamente
quando a carga de resfriamento é maior
Adicionar Torre de Resfriamento para auxiliar a
rejeição de calor ( e diminiur tamanho do loop )
O Loop é normalmente dimensionado para
a maior carga , em geral de resfriamento.
No caso de sistemas híbridos , o loop é
dimensionado com base no aquecimento .
. . . ou, então simplesmente dimensionar
o loop geotérmico o menor / mais barato
e somente ter custos de operação
ligeiramente maiores .
79
ASHRAE Journal
September 2006
Michael A. Bernier, Ph.D.
80
Springhill Suites – Pensacola, FL
81
Sistema Híbrido com VRV na China
Application:
Floor area:
Air-conditioner:
Location:
Heat source:
Auxiliary heat source:
Treatment of fresh air:
Area de Loop
Geotérmico
Fonte de Energia:
Loop vertical tipo fechado
Localização:
Parque em frente
Núm. Poços Verticais 160
Profund. Poços :
60m
Cargas do Loop ( TC ) Resfriam =78W/m
Aquecim.=52W/m
Picos Totais de Carga: Resfriam.=748.8kw
Aquecim.=499.2kw
82
Restaurant
4,500m2 (1,500m2 x 3F)
Water heat source VRV x 228HP
3F skip floor
Underground concealed pipe
Closed loop cooling tower
Air cooled VRV with outdoor
processing indoor unit x 60HP
Sistema Híbrido com VRV na China
VRV
-W
VRV
-W
VRV
-W
VRV
-W
VRV
-W
VRV
-W
VRV
-W
VRV
-W
VRV
-W
Pressure differential
by-pass valve
To area A
To area B
To service
area
Circulation Circulation
water for water for
area A
area B
Circulation
water for
service area
Secondary pump
for service area
闭式冷却塔
83
Underground
concealed
pipe
Energy plant
central water supply
Closed loop cooling
tower
Tendências e Novidades Daikin
84
SmartSource Inverter
Características básicas…
Variable-Speed, ECM
Motor – For precise
fan control, even at
high static pressures
Up to 0.8 ESP
Variable-Speed Inverter
Compressor
Desuperheater Option –
For “free” domestic
hot water
Durable Powder
Coat Paint – for
increased equipment
life
Flush Water
Fittings – For
easy installation
SmartSource Inverter – Alto EER/IEER
•
•
•
•
•
46% to 110% full load capacity
1⅓ to 3¼ Tons
49.1 EER at 46% capacity
20.3 EER @ 100% capacity
3.9 COP in heating at full load
•
•
•
•
•
50% to 127% full load capacity
2 to 5⅛ Tons
47.4 EER at 50% capacity
21.9 EER @ 100% capacity
3.9 COP in heating at full load
SmartSource Inverter – Vantagem em cargas
parciais
4545
45
4040
40
50%
50%
Cooling Range
127%
Cooling
EER
30
EER
EER
EER
3030
2525
25
2020
20
1515
15
1010
10
5 5
5
-
Heating Range
Heating35
EER
3535
EER
50
127%
-
-
-20 -11
-7
-3
1
5
9
13
17
21
25
29
33
37
41
45
49
53
57
61
65
69
73
77
Outdoor Air Temperature (F)
8760 Hour Weather Data – Saratoga Springs, NY
Alta Eficiência quando é mais preciso
81
85
89
Hours of Operation
5050
Regras básicas de projeto para WSHP
• Temperatura do fluido de -1°-44°C, com base na região
• Tipicamente 2.5 a 3.0 GPM/ton. Deve ter fluxo turbulento Re=2500.
• Dimensione o loop de com base nas cargas de pico de resfriamento
e aquecimento .
• Temp. de projeto verão é de 32°C EWT; 10°C abaixo max. temp.
• Poços tem usualmente entre 60 e 120 metros , chegando até 180 m.
• Temp. de projeto inverno é de 0 a 4.5°C EWT; 22°C acima min. temp.
• Dimensione o sistema para atender cargas totas e sensíveis Aq/AC.
• Determine a condutividade do solo – Teste em campo
• Sistema de tubulação com PEAD utilizando drenos , BAQ e Tq exp.
• Poços devem ter argamassa otimizada com melhor condutividade
• Minimize perdas de carga na tubulação  meta de 7½ hp/100 TRs.
• Use anti-congelante – pouco é bom , muito é ruim .
• Selecione unidades com 14.0 EER ( C ) , 3.0 COP ( H ) com perda de
carga de no max 4,0 mCA.
RESUMO
As cargas do edifício determinam o tamanho do trocador
Software de Dimensionamento do Loop facilitam trabalho do
projetista
Estudo Ciclo de Vida é a melhor maneira de comparar sistemas
Sistemas Geotérmicos Híbridos reduzem o custo de instalação
do loop geotérmico
Custos de Operação são geralmente maiores para sistemas
híbridos, porém são menores que sistemas de chillers com AHU
e FCUs 4 tubos
Sistemas Geotérmicos Híbridos trabalham melhor em climas
mais quentes, Resf./Aquec. maior que 6 e ainda melhor que
sistemas com lógica de controle de torre
Fontes de Informação Adicional
Questões
????
91
Luciano de Almeida Marcato
Ger. Produtos Daikin Applied
[email protected]
11 3125 2535 / 11 99854 1331