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por | Ernesto F. Peixeiro Ramos, Eng.º Mecânico, Consultor de AVC&R
Bomba de Calor: Uma via para a
Europa 20 –20 –20
A
bomba de calor, por compressão
de um vapor, é um sistema que
realiza um ciclo termodinâmico
entre duas fontes de energia, uma a
baixa temperatura – fonte fria - e a
outra a mais alta temperatura – fonte
quente – transferindo o calor da fonte
fria para a fonte quente graças ao fornecimento de uma certa quantidade de
trabalho. Os seus elementos principais
são quatro: evaporador, compressor,
condensador e elemento de expansão.
De uma forma simplificada, pode-se dizer que as bombas de calor transferem
a energia do exterior presente no ar, no
solo ou na água, a uma temperatura
mais baixa, para o ar ambiente no interior dos espaços, a uma temperatura
de conforto mais elevada - no caso do
Inverno - ou transferem a energia do
interior dos espaços para os elementos
exteriores focados, no caso do Verão.
Não há dúvida que a bomba de calor é uma tecnologia que gera energia
renovável - disponibiliza mais energia
que a energia utilizada no seu funcionamento - com origem em fontes de
energia primárias esgotáveis, nomeadamente os combustíveis fósseis.
Por isso a bomba de calor pode ser
um importante meio para alcançar o
objectivo europeu de realização dos
três vintes em 2020, i.e., a redução de
20% nas emissões dos gases com efeito
de estufa, a contribuição de 20% das
energias renováveis no share do consumo final e o aumento de 20% na eficiência energética. No caso português,
o objectivo para as energias renováveis
aponta para os 31%, pois actualmente
já ultrapassámos os 20%.
Mas qual dos tipos existentes no
mercado, ar/ar, ar/água, água/ar,
água/água, sol/ar, sol/água, terreno/
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água, está melhor colocado para satisfazer tal objectivo? Vamos debruçar-nos
nos sistemas por compressão mecânica, nos quais os compressores são
actuados por motores eléctricos. Não
vamos ter em conta os sistemas por
absorção, maioritariamente utilizados
nos processos industriais e na cogeração, nem os sistemas por compressão
mecânica nos quais os compressores
podem ser actuados, quer por motores
de combustão interna, quer por turbomáquinas de vapor ou de gás.
Logo à primeira vista saltam as
diferenças de temperaturas das respectivas fontes de calor, uma vez que,
no interior, o problema é igual para
todos os tipos.
No caso da utilização do ar como
fonte de energia, quando mais necessitamos de calor é quando a sua
temperatura é mais baixa. Os equipamentos, que usam o ar como fonte de
energia, estão sujeitos a temperaturas
de evaporação variáveis ao longo do
dia e da estação de aquecimento –
temperaturas entre -20ºC e +10ºC.
Já os que utilizam a água subterrânea como fonte de energia, trabalham
com temperaturas de evaporação praticamente constantes – temperaturas
entre +5ºC e +10ºC.
No caso da utilização de aproveitamento solar térmico, como fonte de
calor, podem ser obtidas condições
de funcionamento da mesma ordem
das conseguidas com recurso ao aproveitamento geotérmico ou aos cursos
de água.
No caso das bombas de calor que
utilizam o ar como fonte energética,
a sua capacidade calorífica e o seu
coeficiente de desempenho, COP, (Coefficient of Performance), quociente
entre a potência calorífica fornecida
pela unidade e a potência eléctrica consumida, diminui com a temperatura do
ar exterior, i.e., o seu COP varia ao longo
da estação de aquecimento. Assim o
que nos interessa reter não é o COP,
para uma determinada condição de
temperatura exterior, mas sim um COP
para o período do aquecimento, SCOP,
(Seasonal Coefficient Of Performance),
o qual represente o quociente, agora,
entre a energia fornecida pela unidade,
durante todo o período de aquecimento
e a energia eléctrica consumida durante
o mesmo período.
Diferente é o que se passa nas
bombas de calor com aproveitamento
geotérmico em que a fonte energética
– solo, lago, albufeira, rio, aquíferos – se
mantém estável ao longo do ano e com
a vantagem de que a sua temperatura, relativamente à temperatura do
ar exterior, tem um valor, superior no
Inverno e inferior no Verão, tal como
nos interessa.
A decisão da Comissão Europeia
2007/742/CE, de 9 de Novembro de
2007, estabelece os critérios ecológicos
para a atribuição do rótulo ecológico
comunitário às bombas de calor eléctricas, a gás ou de absorção a gás. Neste
documento, para além dos conceitos
atrás mencionados, são definidos o EER,
(Energy Efficient Ratio) e o SEER, (Seasonal Energy Efficient Ratio) bem como
um factor relacionado com a energia
primária, PER (Primary Energy Ratio).
No caso do EER e do SEER as definições
resultam semelhantes às feitas para o
COP e SCOP substituindo as palavras,
respectivamente, calorífica e aquecimento por frigorífica e arrefecimento. O
PER obtém-se multiplicando o COP por
0,4 no caso do accionamento eléctrico
e por 0,91 no caso do accionamento
com motores a gás. Os valores 0,4 e
0,91 representam, respectivamente, as
eficiências médias de produção europeia, de energia eléctrica incluindo as
perdas na rede, e de gás incluindo as
perdas na distribuição. Para o cálculo
destes valores, os fabricantes devem
disponibilizar programas, instrumentos
e recomendações para que os cálculos necessários sejam efectuados. Os
dados climáticos a utilizar devem corresponder à localização geográfica da
instalação e, no nosso caso, são os que
constam no Solterm.
As bombas de calor com aproveitamento geotérmico de baixa entalpia
são ainda pouco utilizadas no nosso
país por isso interessa-nos desenvolver um pouco mais este tema. Estas
unidades são equipamentos água/
água como as utilizadas nos sistemas
centralizados de água arrefecida com
torre de arrefecimento. Para a sua integração na climatização dos edifícios é
necessário ter em conta que os valores
de produção térmica devem estar o
mais perto possível da temperatura
desejada para o ar interior, pelo que
as superfícies de permuta devem ser
grandes, daí que as opções, na escolha
das unidades terminais, apontem para
a utilização de superfícies radiantes e
ventiloconvectores, ou unidades de
tratamento de ar. Para a captação de
energia geotérmica podem ser utilizados serpentinas, quer sejam dispostas
na horizontal, quer sejam dispostas na
vertical, enterradas ou em contacto
com grandes massas de água ou ainda
recorrendo aos aquíferos. No caso de
serpentinas enterradas e dispostas na
horizontal estão mais sujeitas às flutuações da temperatura do ar exterior,
climatização Março/Abril | 79
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sendo por isso utilizadas em aplicações
de baixa potência. As serpentinas verticais fazem-se com furos que vão até
aos 150 metros e distanciados entre si,
pelo que não estão sujeitas às variações
da temperatura do ar exterior.
Sabemos que urge diversificar ao
19º Aniversário
máximo as fontes de energia, e que
nesse sentido devem ser tidas em conta todas as tecnologias disponíveis,
emergentes e aplicáveis. A geotermia
de baixa temperatura é uma destas
tecnologias, sendo actualmente assunto de interesse em praticamente todos
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Figura 1 A bomba de calor como energia renovável
os eventos ligados à climatização dos
edifícios. Na Espanha, a Comunidad de
Madrid organiza no início de Março o
2º Congresso sobre Geotermia, depois
do sucesso do primeiro realizado em
2008. Por cá, sabemos que as obras
de remodelação das escolas inserem
muito timidamente algum aproveitamento geotérmico.
No sentido de contribuir para a divulgação e consciencialização sobre a geotermia de baixa entalpia, resolvemos
dar uma espreitadela nas publicações
de 2009 do Ashrae Journal - publicação
mensal distribuída pelos mais de 50 mil
membros da Associação Americana dos
engenheiros de AVAC&R, espalhados
por todo o mundo. Descobrimos cinco
artigos com interesse. O primeiro é o
único que aborda o aproveitamento
geotérmico em circuito aberto. Dois
deles são exemplos de utilização, ambos do Québec, Canadá: um Complexo
Desportivo com um ringue de gelo e
um centro de investigação de sementes alimentares. Os outros dois artigos
têm de comum o apelo à simplicidade,
80 | Março/Abril climatização
um dos quais termina com a máxima
de Einstein “ Everything should be as
simple as possible, but not simpler”.
Aproveitamento geotérmico
em circuito aberto
Logo na revista de Março, Kevin D.
Rafferty, engenheiro consultor ligado
à geotermia, aborda os sistemas de
aproveitamento em circuito aberto,
do ponto de vista dos cuidados a ter
para que estes sistemas possam ser
eficientes e necessitem de pouca manutenção. Nesse sentido, salienta que
é fundamental a determinação do caudal óptimo, o manuseamento da água
subterrânea e a escolha dos locais de
produção/injecção, isto sem esquecer
a execução dos furos, a qual deve ser
entregue a especialistas.
O caudal óptimo situa-se normalmente
para diferenças de temperatura da ordem dos 7ºC a 9ºC e deve ser determinado pelo compromisso entre as cargas
térmicas do edifício e as necessidades
de potência de bombagem.
No manuseamento da água, há que
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Vantagens do sistema:
Condutas limpas - Inexixtência de odores
- Fácil limpeza e durabilidade - Gordura fica
armazenada no fundo dos filtros - os filtros podem ser lavados numa máquina de lavar loiça
- Consumo mínimo de energia (dissipador de
calor) - Filtro ciclónico - Filtro em malha de
rede - Armação com tubos flurescentes UV.
O sistema permite substituir os filtros
electrostáticos com grandes vantagens
sem custos de manutenção (retorno do investimento a curto prazo).
*1
*1 O ar com gorduras entra no filtro por sistema extracção;
*2 Partículas de gordura extraídas pela centrífugação filtro;
*3 Gordura e impurezas escorrem para o fundo do filtro;
*4 O ar purificado deixa o filtro.
*4
*2
*3
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ter em conta as disposições legais, os
testes de caudal, a sua composição
química, os sólidos suspensos, isolamento do circuito da água subterrânea
do circuito do edifício, pressurização
do circuito, e estratégia de retorno da
água ao aquífero.
A localização de furos, de produção
e injecção, deve ter em atenção os
acessos, as infra-estruturas existentes,
a distância de separação e a inclinação do terreno. Quanto mais afastados
estiverem, menor é o potencial de interferência entre eles.
Centro de Investigação
No número de Agosto, destaca-se o
exemplo do Centro de Investigação
Agrícola, CÉROM, que reúne recursos
governamentais e privados para a
investigação e desenvolvimento de
sementes alimentares. Está situado
no Québec, Saint-Mathieu-de-Beloeil,
a alguns quilómetros a sul da cidade
de Montreal, com um clima muito mais
rigoroso do que seria de esperar para
a sua latitude, com uma amplitude
térmica anual de cerca 40ºC e experimentando esporadicamente temperaturas extremas, com quedas no Inverno
que chegam aos -34ºC e subidas no
Verão que atingem os 34ºC. O Centro
é constituído por um edifício principal
com cerca de 2300 m2 e três estufas
de 160 m2 cada. No edifício principal,
com dois pisos, a tipologia dos espaços
diversifica-se pelas funções de escritório, investigação (laboratórios), salas
de atmosfera controlada, câmaras de
conservação de refrigerados e câmaras
de conservação de congelados.
O objectivo que esteve subjacente na
sua concepção foi a construção de um
edifício ecológico e de elevada eficiência energética, em relação aos outros
edifícios do mesmo tipo no Québec. As
condições climatéricas extremas convidam para o aproveitamento geotérmico. No Inverno, o aquecimento é feito à
custa do calor armazenado no solo. No
Verão o arrefecimento liberta o calor
do edifício para o solo, recarregando-o
para Inverno seguinte.
A energia primária utilizada no CÉROM
é, em parte, proveniente de fonte renovável através de bombas de calor
com aproveitamento geotérmico – 29
unidades do tipo água/ar ligadas a um
82 | Março/Abril climatização
circuito geotérmico de 24 furos verticais com 150 m de profundidade - e
uma parede solar virada a sudoeste
com 64 m2 e constituída por painéis
metálicos perfurados. Devido a que
a carga média de aquecimento e de
arrefecimento para os edifícios na zona
de Montreal é cerca de metade da carga
máxima, e à não existência de gás natural naquela área, o complemento em
energia convencional para satisfação
das necessidades térmicas baseia-se
na utilização de baterias eléctricas no
edifício principal, e de caldeiras a gasóleo no caso das estufas.
Uma roda entálpica, com 75% de eficiência, permite transferir uma parte do
calor e da humidade contida no ar de
exaustão, para o ar novo. Esta medida,
combinada com a utilização da parede
solar, permite preencher gratuitamente
uma grande parte das necessidades de
aquecimento do ar novo, enquanto as
bombas de calor fornecem a parte de
calor restante. No Verão, a admissão
de ar novo faz-se por uma tomada
alternativa.
Por outro lado, possui uma estratégia
de recuperação de todas as rejeições
de calor, o que permite diminuir as
necessidades de aquecimento do edifício, reutilizando no máximo a energia
disponível. Assim todo o calor rejeitado
pelos condensadores das câmaras de
conservação é injectado no circuito de
aproveitamento geotérmico.
A escolha de sistemas e equipamentos
eficientes permite uma redução no consumo energético. Neste caso o edifício
do CÉROM vai utilizar menos 54% da
energia utilizada por um edifício equivalente com sistemas de AVAC tradicionais, de acordo com o regulamento
do Canadá para os edifícios.
Com um orçamento de cerca de quatro milhões de euros para o edifício, o
custo dedicado à eficiência energética
atingiu os 10%, com uma poupança
anual superior a 1%, tendo sido subvencionado em cerca de 40%, pelo que
a sua amortização se faz em menos
de seis anos.
Sistemas de aproveitamento
geotérmico simplificados
Na revista de Outubro, o engenheiro
Kirk Mescher, membro da Ashrae, num
extenso artigo, contrapõe ao projecto
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clássico de utilização do sistema de
distribuição do aproveitamento geotérmico a dois tubos com variação de
caudal, o sistema “monotubo” com o
argumento deste sistema ter menores
custos, quer de instalação, quer de
consumo energético. No primeiro caso,
o circulador do circuito é responsável
pelas necessidades de caudal e pressão
pedidas pelas unidades bomba de calor
equipadas com válvulas motorizadas, e
que são ligadas em circuitos primário/
secundário de retorno directo ou invertido. As válvulas estão encravadas com
os compressores das bombas de calor,
pelo que só abrem quando é necessário aquecimento ou arrefecimento. O
sistema monotubo, conhecido pela sua
utilização nos anos 60 e 70, no aquecimento central com radiadores, aparece
aqui modificado, pois para além dos
circuladores principais de caudal constante – dois, um para a caudal necessário na maioria do tempo, e o outro
para os picos - as unidades bombas
de calor são equipadas com pequenos
circuladores secundários. Perante esta
disposição, pergunta Mescher se a água
não estará muito quente/fria quando
chega à última bomba de calor, e responde que o aumento ou diminuição da
temperatura é unicamente função do
caudal no primário, enquanto o caudal
através das unidades bomba de calor é
função do circulador secundário.
No sentido de provar a sua afirmação,
Kirk Mescher desmistifica os EER e COP
publicados pelos fabricantes, sempre
referidos a condições padrão, mas que
no caso real as condições são bem
diferentes, e por isso estes números
de mérito têm que ser corrigidos para
reflectir as condições a que as unidades
vão estar realmente sujeitas. Embora
nas normas ISO já esteja previsto a
inclusão da energia necessária para
passar a água, através da unidade
bomba de calor, a energia necessária
para promover a circulação da água
através do circuito de distribuição, com
todos os seus equipamentos hidrónicos, tais como filtros em Y, válvulas
motorizadas, válvulas de equilíbrio,
válvulas de retenção e outros, não está
contemplada.
Salienta que em muitos circuitos de
captação geotérmica, a circulação de
água representa um significativo con84 | Março/Abril climatização
sumo energético, e que excessivos caudais e pressões associados a longos
tempos de operação resultam numa
pobre eficiência energética. Em teoria,
a variação de caudal é claramente vantajosa em relação ao caudal constante,
em termos de poupança energética
anual. No entanto, em muitos sistemas,
devido ao elevado número de horas
de operação a baixa carga térmica, a
eficiência energética é baixa pelo fraco
desempenho dos pares drive/motor,
que consomem mais energia do que
deviam. Os desempenhos actuais dos
circuladores, nos circuitos a dois tubos,
situam-se num consumo eléctrico da
ordem dos 16 W por cada kW de carga
de arrefecimento, enquanto nos sistemas monotubo o consumo eléctrico é
de apenas 4,2 W/kW.
Bombas de calor geotérmica
– quanto mais simples melhor
O fascículo de Novembro num pequeno artigo em que Steve Kavanaugh,
Ph.D., e Fellow Ashrae relatam várias
experiências de aplicações de aproveitamento geotérmico através de
bombas de calor:
Começa por nos contar que um responsável pela manutenção de escolas em
Austin no Texas, Bob Lawson, nos anos
80, implementou, para substituição das
unidades convencionais utilizadas nas
salas de aulas, unidades bomba de
calor água/ar, do tipo consola - com o
topo inclinado para que não servisse de
depósito de livros na saída de ar - de
baixas necessidades de manutenção
mas com potência suficiente para vencer as cargas térmicas das salas; cada
uma destas unidades era ligada a um
circuito fechado com dois ou três furos
verticais efectuados junto das paredes
das salas. Actualmente, em Austin e
noutras cidades próximas, existem mais
de 125 escolas que utilizam o princípio
de simplicidade de Lawson, uma bomba de calor e um circuito geotérmico
com um único circulador.
Fala-nos a seguir de Mike Green, um
engenheiro mecânico do Texas que
teve muitas experiências no início da
instalação dos sistemas em Austin, e
cuja principal ilação foi a de aumentar
a separação entre os furos verticais de
pelo menos seis metros.
Depois discute a estratégia de projecto
mais utilizada no aproveitamento geotérmico em escolas, que passa por um
único grande circuito geotérmico, ao
qual se encontram ligadas as bombas
de calor. O circuito geotérmico é constituído por uma matriz de conjuntos de
tubos verticais em U, agrupados em
sub-circuitos de seis a 20 conjuntos.
Este tipo de circuitos necessita normalmente de circuladores ”potentes”.
Faz notar que, apesar da utilização de
drives de variação de velocidade que
possam reduzir o consumo energético
quando o sistema está a carga parcial,
nada consome menos energia do que
o circulador parado como acontece nos
sistemas simples.
Afirma que não está provado na prática
que os sistemas centrais geotérmicos
com distribuição e controlo convencionais possuam custos de instalação e de consumo energéticos mais
baixos, especialmente se os sistemas
não adoptam as melhores práticas,
no que se refere a minimização do
consumo de ventiladores e circuladores. Remata que, enquanto isso não
estiver comprovado, os projectistas
e os donos de obra devem seguir a
sugestão de Albert Einstein, “Tudo deve
ser tão simples quanto possível, mas
não simplista”.
Centro Comunitário
A edição de Dezembro culmina com
o exemplo do Centro Comunitário de
Mistissini, no norte do Québec. Um
complexo com uma área de cerca de
7000 m2, que integra um ringue de
gelo para jogos, com vestuários para
jogadores e árbitros, sala de fitness,
biblioteca, restauração tipo fast food
e escritórios.
A produção térmica está a cargo de 33
bombas de calor com aproveitamento
geotérmico, composto por um total
de 28 furos com cerca de 150m de
profundidade. Estas unidades, no seu
conjunto, asseguram o aquecimento, o
arrefecimento, a água quente sanitária,
a desumidificação e a temperatura do
gelo. Devido à simultaneidade de cargas contrárias, deste tipo de complexo,
o calor produzido na manutenção da
temperatura do gelo é utilizado para
resolver as cargas de aquecimento do
recinto. Também a recuperação de calor, no ar extraído, não foi esquecida,
fazendo-se através de rodas entálpicas
estrategicamente colocadas. O controlo
do ar novo é feito por sensores de CO2.
É também interessante o equilíbrio
introduzido na carga de arrefecimento,
quando as cargas internas diminuem,
através de uma massa de areia com
meio metro de espessura, colocada
por debaixo da laje do ringue.
Este Centro vai utilizar menos 62%
da energia utilizada por um edifício
equivalente com sistemas de AVAC tradicionais, de acordo com o regulamento
do Canadá para os edifícios.
Aproximadamente 13,5 milhões de
euros foram o custo do edifício, em que
cerca de 5,5% foram dedicados à eficiência energética. Com uma poupança
anual de cerca de 0,9% do custo total
do edifício e sendo o custo dedicado
à eficiência energética subvencionado
em cerca de 30%, a sua amortização
faz-se em menos de cinco anos.
Bibliografia utilizada:
n Mescher, K., 2009, “One-pipe Ge
othermal design – Simplified GCHP
system” Ashrae Journal Vol. 51,No.
10, October 2009.
n Kavanaugh, S., 2009, “GCHP: Simple
is Better” Ashrae Journal Vol. 51, No.
11, November 2009
n Mescher, K., 2009, “One-pipe Geo thermal design – Simplified GCHP
system” Ashrae Journal Vol. 51,No.
10, October 2009.
n Nichols, L., Giroud, P., Julien, C., 2009,
“Geothermal for Community Center”
Ashrae Journal Vol. 51,No. 12, De cember 2009.
n Rafferty, K., S., 2009, “Commercial
Open Loop Heat Pumps systems”
Ashrae Journal Vol. 51, No. 3, March
2009.
n Sirard, S., Bourdages, C., 2009, “Geo thermal for Grain Research Center”
Ashrae Journal Vol. 51,No. 8, August
2009.
n Decisão da Comissão Europeia
2007/742/CE de 9 de Novembro de
2007.
n Directive 2009/28/EC of the Euro
pean Parliament and the Council of 23
April 2009 on the promotion of the
use of energy from renewable sour ces and amending and subsequently
repealing Directives 2001/77/EC and
2003/30/EC.
climatização Março/Abril | 85