A bomba de calor geotérmica é um sistema de ar condicionado e aquecimento para edifícios que explora a troca de calor com o subsolo superficial. Neste caso, a troca é realizada por meio de uma bomba de calor.
Uma vez que o calor na subsuperfície vem principalmente de dentro da Terra, a energia geotérmica de baixa temperatura é classificada como uma fonte de energia renovável.
A bomba de calor permite a troca de calor entre uma fonte fria para uma fonte quente. Em um sistema de aquecimento, o edifício representa o ponto quente. Em um sistema de ar condicionado, o edifício é a fonte fria da qual o calor é extraído.
De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor só é transferido de uma lâmpada quente para uma lâmpada fria. Por isso é necessário fornecer trabalho, energia. Ou seja, as bombas de calor requerem uma fonte externa de eletricidade.
O solo representa para a bomba de calor uma “fonte” (quando trabalha em aquecimento) ou um “poço” (em modo de refrigeração) de calor.
Comparada com o ar atmosférico (fonte das bombas de calor aerotérmicas), a temperatura do solo em determinada profundidade sofre variações anuais muito menores. A uma profundidade de 5-10 m, a temperatura é estável, quase todo o ano permanece constante.
Existem bombas de calor geotérmicas que incorporam um acumulador para a produção de água quente sanitária.
A temperatura nesta profundidade é aproximadamente equivalente à temperatura média anual do ar externo.
Como é feita a troca de calor de uma bomba geotérmica?
A troca de calor com o subsolo pode ocorrer de três maneiras:
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Troca direta, onde o circuito evaporador / condensador da bomba de calor está em contato direto com o solo.
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Sistemas de circuito fechado, onde a bomba de calor realiza a troca de calor com o solo de forma indireta, através de um circuito hidráulico no qual circula um fluido refrigerante.
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Sistemas de circuito aberto, nos quais a água subterrânea é coletada e onde ocorre a troca de calor.
Em climas frios, em edifícios onde a carga de calor é desequilibrada em favor do aquecimento, o piso pode resfriar devido à remoção de calor. No entanto, é possível acoplar a bomba de calor geotérmica para a instalação de um painel solar térmico e armazenar no solo o calor acumulado no verão.
Troca direta
Na bomba de calor geotérmica de troca direta, a troca de calor ocorre com o solo. O refrigerante que sai da bomba de calor, circula em uma tubulação inserida em contato direto com o solo, com ele troca calor e retorna para a bomba de calor.
Esses sistemas são muito mais eficientes do que os sistemas de malha fechada. Isso se deve à ausência de circuito intermediário e alta condutividade térmica dos tubos de cobre utilizados.
Circuito fechado
A maioria dos sistemas geotérmicos de baixa entalpia é composta por três circuitos:
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circuito de ar condicionado;
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circuito primário da bomba de calor;
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circuito de troca de calor secundário com o solo.
A bomba de circulação pode ser externa ou incluída na bomba de calor. No circuito secundário também existem tanques de expansão e válvulas de segurança para controle de pressão
Existem bombas de calor geotérmicas que incorporam o circuito de refrigeração na unidade interior.
O circuito fechado pode ser instalado horizontalmente a uma profundidade de 1-3 m, ou verticalmente em um furo especialmente projetado (sondas geotérmicas) ou em um poste de fundação (estacas geotérmicas).
Circuito fechado vertical
Um circuito fechado vertical consiste em dois ou mais tubos instalados verticalmente no solo. Esses tubos formam um circuito fechado no qual flui o fluido de transferência de energia térmica. O comprimento do furo pode ser entre 20 e 200 m.
As sondas geotérmicas são amplamente utilizadas quando não há espaço suficiente para uma planta horizontal de circuito fechado.
Nos campos da sonda, a distância entre as perfurações é de 5 a 10 m. As sondas geotérmicas podem fornecer uma potência entre 40 e 70 W por metro de perfuração.
Circuito fechado horizontal
O circuito fechado pode ser colocado horizontalmente em uma trincheira, colocada em profundidades maiores do que aquelas em que pode ocorrer o congelamento do solo.
O tubo pode ser linear ou espiral (bobinas de aterramento). A potência trocável depende do comprimento do tubo e da área ocupada: aproximadamente, a potência trocada com o solo é de 15-40 watts / m².
Os tubos são instalados a uma profundidade de 1-3 m: quanto maior for a profundidade de instalação, maior será a inércia térmica e melhor será a eficiência da bomba de calor.
Em comparação com as sondas geotérmicas verticais, a eficiência da bomba de calor é menor, mas os custos de instalação mais baixos tornam esta solução competitiva.
Bomba geotérmica de circuito aberto
Nesse tipo de instalação, a troca de calor ocorre com águas subterrâneas ou, mais raramente, de rios e lagos. A água extraída pode ser reintroduzida em um corpo d'água de superfície ou no mesmo aquífero do qual foi extraída.
A vantagem, em comparação com os sistemas de malha fechada, é:
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Maior eficiência energética da bomba de calor geotérmica.
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Custos de instalação mais baixos
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Menos pegadas em comparação com sistemas de sondas geotérmicas e ainda mais do que sistemas de malha fechada horizontal.
A principal desvantagem dessas plantas é o risco de fissuras e incrustações, que encurtam a vida útil da planta.
Qual é a eficiência energética de uma bomba de calor geotérmica?
Para estudar a eficiência energética de uma bomba de calor geotérmica, o conceito COP é usado. COP é o coeficiente de desempenho de um refrigerador. Isso é definido como o calor removido do reservatório frio Q dividido pelo trabalho W feito para remover o calor.
O COP de uma bomba de calor geotérmica varia entre 3 e 6: isso significa que para cada kWh de eletricidade consumida, são produzidos 3-6 kWh térmicos.
A eficiência energética primária de uma bomba de calor geotérmica é, portanto, variável entre 120% e 240%. Por outro lado, as melhores caldeiras de condensação obtêm eficiências de 90%.
O COP da bomba de calor é altamente dependente das temperaturas dos dois termostatos: quanto menor a diferença, maior o COP.