Energia Geotérmica

Bomba de calor geotérmica

Bomba de calor geotérmica

A bomba de calor geotérmica é um sistema de condicionamento de ar para edifícios que explora a superfície de troca de calor com o solo, por meio de uma bomba de calor. Desde subterrânea calor deriva em grande parte do interior da Terra, geotérmica de baixa entalpia é classificada como uma fonte de energia renovável, embora a bomba de calor próprio consome eletricidade, geralmente produzido a partir de outras fontes de energia (por exemplo, combustíveis fósseis).

A bomba de calor permite a troca de calor entre uma "fonte" a uma temperatura mais baixa do que o "poço", ou o ponto onde o calor é introduzido. Num sistema de aquecimento, o edifício (mais precisamente: o circuito dos terminais de aquecimento do edifício) representa o "poço quente"; vice-versa, em um sistema de ar condicionado, o edifício é a "fonte fria" da qual o calor é extraído. A vantagem econômica e energética da bomba de calor é dada pela relação entre o calor introduzido ou extraído do edifício e o consumo de energia (geralmente elétrico ou calor em uma bomba de calor de absorção), chamado COP (coeficiente de desempenho). Uma proporção entre 3 e 6 para bombas de calor geotérmicas.

O piso representa para a bomba de calor uma "fonte" (quando funciona no aquecimento) ou um "poço" (no modo de refrigeração) de calor. Em comparação com o ar atmosférico, que é a fonte de bombas de calor aerotérmicas, a temperatura do solo a uma certa profundidade está sujeita a variações anuais muito menores: uma profundidade de 5-10 m a temperatura do solo é quase constante durante durante todo o ano e é aproximadamente equivalente à temperatura média anual do ar, ou cerca de 10-16 ° C. Isso significa que o solo, comparado ao ar, é mais quente no inverno e mais frio no verão, para o benefício de a eficiência da bomba de calor.

A troca de calor com o subsolo pode ocorrer de três maneiras:

  • troca direta, onde o circuito evaporador / condensador da bomba de calor está em contato direto com o subsolo;
  • sistemas de circuito fechado, onde a bomba de calor executa a troca de calor com o solo indiretamente, por meio de um circuito hidráulico no qual flui um fluido de transferência de calor;
  • sistemas de circuito aberto, nos quais são captadas águas subterrâneas nas quais ocorre a troca de calor.

Em climas frios, o edifício onde a carga de calor é desequilibrada em favor de aquecimento, o piso pode ser resfriado devido à remoção de calor é, no entanto, possível acoplar a bomba de calor geotérmica para uma instalação de painéis solares térmicos e armazenar calor acumulado no verão no solo.

Os custos de instalação da fábrica são muito superiores às soluções convencionais (gás natural ou diesel), mas os custos de manutenção mais baixos permitem que um investimento seja recuperado em menos de 10 anos, com uma vida útil de pelo menos 25 anos. anos.

Permutador de calor da terra

Sistema geotérmico de circuito fechado horizontal

As bombas de calor geotérmicas fornecem (ou subtraem) energia térmica ao edifício, trocando-o com o solo a uma profundidade rasa (1-200 m). Os componentes do sistema são, portanto, três: trocador de calor de aterramento, bomba de calor e terminais de aquecimento / resfriamento.

Como mencionado acima, os trocadores de calor são divididos em três categorias:

  • troca direta;
  • circuito fechado;
  • circuito aberto.

Os trocadores podem ter configurações diferentes, classificadas por tipo de fluido e por esquema. Nos sistemas de troca direta, o circuito refrigerante da bomba de calor está em contato direto com o solo; em sistemas de circuito fechado, um fluido contendo água e aditivos anticongelantes é circulado; sistemas de circuito aberto operam troca de calor em águas subterrâneas.

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 um tubo inserido em contato direto com o solo, troca calor com ele e retorna à bomba de calor. O nome "troca direta", portanto, implica a ausência de um circuito intermediário (e fluido) entre o solo e a bomba de calor. Entretanto, não há interações diretas entre o refrigerante e a terra, se não a troca de calor, e a água não circula no circuito de troca com o solo.

Sistemas de câmbio direto são muito mais eficientes que sistemas de malha fechada. Isto é devido à ausência de um circuito intermédio (cada permutador de calor, no entanto, envolve perdas) e elevada condutividade térmica de tubos de cobre utilizadas para o permutador de calor, por outro lado, eles são muito mais caro em comparação com tubos em HDPE utilizados em sondas geotérmicas. Em comparação com as sondas geotérmicas, o comprimento requerido é 70-85% menor e o diâmetro do tubo é aproximadamente a metade. É necessário mais controle de qualidade nos tubos, uma vez que o gás refrigerante pode escapar até mesmo de pequenas fissuras. O cobre deve ser protegido contra a corrosão em solos ácidos com proteção catódica ou com ânodo de sacrifício.

Circuito fechado

A maioria dos sistemas geotérmicos de baixa entalpia é composta de três circuitos:

  • circuito de ar condicionado
  • circuito primário da bomba de calor;
  • circuito secundário de troca de calor com o chão.

O circuito secundário é geralmente feito de polietileno de alta densidade, em que são utilizadas misturas de água e anticongelante (propileno glicol, etileno glicol, álcool metílico, metanol ou cloreto de cálcio.). O etileno glicol é barato, mas é tóxico mesmo em concentrações baixas; até mesmo a possibilidade remota de derrame no chão levou muitas autoridades de controlo para proibir a sua utilização. Propileno glicol foi substituído em muitos casos, para o etileno-glicol, embora seja mais caros e consomem menos energia. Metanol e álcool desnaturado são inflamáveis e, portanto, o seu uso não é recomendado.

A bomba de circulação pode ser externa ou incluída dentro da bomba de calor. No circuito secundário também existem tanques de expansão e válvulas de segurança para controle de pressão.

O circuito fechado pode ser instalado na horizontal, a uma profundidade de 1-3 metros, ou verticalmente num furo especialmente concebido (sondas geotérmicas) ou em uma base de pós (baterias).

Geotérmicos

Circuito fechado vertical

Um circuito fechado vertical consiste em dois ou mais tubos instalados verticalmente no solo, formando um circuito fechado no qual flui o fluido de transferência de calor. O comprimento da perfuração pode ser entre 20 e 200 m. A perfuração pode ser realizada especificamente (sonda geotérmica vertical) ou para um poste de fundação (células geotérmicas ou células de energia).

Sondas geotérmicas pode ter configuração em forma de U (dois tubos, de ida e volta, ligada ao fundo), duplo T ou coaxial (dois tubos concêntricos, com o fluxo no tubo interior e o retorno sobre o anel externo , ou vice-versa). No orifício, o espaço em torno dos tubos são usualmente cheios com uma pasta geotérmica, ou seja, um betão preparadas com aditivos inertes siliciosas e elevada condutividade térmica.

As sondas geotérmicas são amplamente utilizadas quando não há espaço suficiente para uma usina de circuito fechado horizontal ou uma mesa de lençol freático explorável para um sistema de circuito aberto. Nos campos da sonda, a distância entre as perfurações é entre 5 e 10 m. Indicativamente, as sondas geotérmicas podem fornecer energia entre 40 e 70 W por metro de perfuração.

Nos pólos geotérmicos, no entanto, o circuito hidráulico é inserido em uma pilha de fundação. Desta forma, é possível limitar os custos de instalação, uma vez que a perfuração não é realizada especificamente para as sondas. Além disso, a eficiência da planta é menor, por conseguinte, a condutividade térmica mais baixa dos solos de argila, em que este tipo de base é utilizado, e a presença de tubos de distribuição de fluidos longo horizontais, envolvendo perdas de calor significativas .

Circuito fechado horizontal

 

O circuito fechado pode ser colocado horizontalmente em uma vala, colocado em profundidades maiores do que aquelas nas quais o congelamento do solo pode ocorrer. O tubo pode ser linear ou espiral (bobinas de terra); Outra configuração usada às vezes é o basquete geotérmico, ou um tubo espiral de 2-3 m de altura, inserido no solo. A potência intercambiável depende do comprimento do tubo e da área ocupada: aproximadamente, a potência trocada com o piso é de 15-40 W / m². Indicativamente, uma casa com uma carga máxima de 10 kW requer três canos DN20 ou DN 32 de 120-180 m de comprimento.

Os tubos são instalados a uma profundidade de 1-3 m: quanto maior a profundidade de instalação, maior a inércia térmica e melhor 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 essa solução competitiva. Uma variante do circuito fechado horizontal são os sistemas instalados em pequenas lagoas, que exploram a inércia térmica da água.

Malha aberta

Num circuito aberto, a troca de calor é realizada com águas subterrâneas ou, mais raramente, de corpos d'água superficiais (rios e lagos). A água extraída pode ser reintroduzida em um corpo de água superficial, ou no mesmo aqüífero de onde foi extraída, drenando valas ou poços. Os dois poços (de abstinência e reintrodução) deve ser instalado a uma distância suficiente, a fim de evitar curto-circuitos térmicos, o que ocorre quando a água termicamente alterada reentrando no poço (temperatura da nuvem) atinge-se do veio.

A vantagem, em comparação com sistemas de circuito fechado, é:

maior eficiência da bomba de calor: a água extraída, na verdade, não é afetada pela troca de calor (em comparação com o solo ao redor de uma sonda, na qual um gradiente térmico é formado), até que seja Pegue os shorts térmicos; especialmente para sistemas de alta potência, menores custos de instalação e menos espaços ocupados, em comparação com sistemas de sonda geotérmica e até mais do que sistemas de circuito fechado horizontais.

A principal desvantagem dessas plantas é o risco de rachaduras e incrustações, que encurtam a vida útil da planta. Por esta razão, a instalação de sistemas geotérmicos de circuito aberto na presença de altos teores de sais dissolvidos não é recomendada.

Coluna de boa reputação

O poço da coluna de pé é um sistema de circuito aberto particular, no qual o mesmo poço é usado para extração e reentrada. De fato, a água é retirada do fundo do poço e, após a troca de calor térmico com a bomba de calor, retorna ao topo do poço. Então, descendo para o fundo do poço, as trocas de água se aquecem com a rocha ao redor.

terminais da bomba de calor e ar condicionado

A bomba de calor é a unidade central de sistemas de energia geotérmica de baixa entalpia. Com a mesma máquina é possível aquecer e arrefecer o edifício, a produção de água quente e bobinas de fornecimento para derreter o gelo e a neve (por exemplo, para rampas de garagem).

O transporte do calor no interior do edifício pode ser feito por ar ou líquido. Terminais que melhor se adaptem para a bomba de calor geotérmica ar condicionado painéis radiantes, como eles trabalham em aquecimento mais baixa e temperaturas de arrefecimento mais elevado, assegurando uma maior eficiência da bomba de calor. Você ainda pode usar a bobina do ventilador: no entanto, deve levar em conta o fato de que, tendo em conta as temperaturas do fluido menor atingido pela bomba de calor, no caso de reequipamento uma fábrica já existente, é necessário aumentar a taxa de fluxo de fluido e, assim, a secção dos tubos de distribuição.

Armazenamento de energia térmica subterrânea / aqüífero

Em climas frios, onde o consumo de energia para o aquecimento é muito mais elevada do que o ar condicionado, o balanço de energia do solo pode ser inadequada, o que leva ao seu arrefecimento progressivo, com a consequente redução da eficiência bomba de calor.

Uma maneira de resolver este problema é armazenar calor no chão, usando painéis solares que recebem o calor do sol e, sem a ajuda da bomba de calor, para introduzir, assim, o calor no solo, elevando a temperatura. Desta forma, durante o inverno, a bomba de calor funcionará com maior eficiência. Esta solução é chamada de armazenamento de energia térmica subterrânea (UTES) ou, no caso de sistemas de circuito aberto, armazenamento de energia térmica (ATES) do aqüífero.

Eficiência energética

O COP de uma bomba de calor geotérmica varia entre 3 e 6: isto significa que para cada kWh de eletricidade consumida, 3-6 kWh térmicos são produzidos. A eficiência energética primária do sistema de geração de eletricidade na Itália é de cerca de 40%: isto significa que, para produzir 1 kWh de eletricidade, é necessário consumir 1 / 0,4 = 2,5 kWh de energia térmica. Como resultado, uma bomba de calor geotérmica pode produzir 3 a 6 kWh térmicos consumindo 2,5 kWh de calor (que, por sua vez, são usados para produzir 1 kWh de eletricidade). A eficiência energética primária de uma bomba de calor geotérmica é, portanto, variável entre 120% e 240%, enquanto as melhores caldeiras de condensação obtêm 90% de rendimento. Uma bomba de calor geotérmica, comparada a uma caldeira de condensação,

O COP da bomba de calor depende em grande parte das temperaturas dos dois termostatos (circuito de troca de fluido no solo e fluido do sistema de ar condicionado): quanto menor a diferença, maior o COP. Como resultado, os terminais de ar condicionado que permitem melhor desempenho são painéis radiantes que trabalham, a <29 ° C em sistemas de aquecimento e 16 ° C, em arrefecimento, seguindo-se a ventoinha (45 ° C em sistemas de aquecimento e 7 ° C no modo de refrigeração).

Aspectos ambientais

De acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA). UU., As bombas de calor geotérmicas são o sistema de ar condicionado mais eficiente, menos poluente e economicamente viável. Uma das maiores vantagens é, sem dúvida, a ausência de emissões no local, o que torna essas plantas adequadas para áreas urbanas. As emissões de gases de efeito estufa ocorrem, no entanto, no estágio de geração de eletricidade e, portanto, dependem da combinação de energias adotadas por cada país. Na Suécia, por exemplo, a geração de energia eléctrica é realizado apenas por 2% com combustíveis fósseis, fazendo com que o uso de bombas de calor geotérmico permite reduções em CO 2emitido cerca de 65-77%; Na Polônia, onde o carvão ainda é amplamente utilizado em usinas termelétricas, as usinas geotérmicas causam mais emissões que alteram o clima do que as caldeiras a gás metano ou diesel. Na Itália, a economia de emissões em comparação com os combustíveis fósseis é de cerca de 30%. Outro impacto potencialmente significativa é a fuga de refrigerante a partir da bomba de calor: Embora os CFCs têm sido removido, devido ao seu efeito de alteração de ozono, os fluidos utilizados no lugar (HFC) ainda tem um elevado efeito de estufa (PAG), até mais de 1.000 vezes a quantidade de CO 2. No entanto, dadas as quantidades limitadas de refrigerante contido na bomba de calor, esse impacto ambiental é marginal comparado com a produção de dióxido de carbono. Um potencial impacto ambiental é representado pela fuga de fluido de transferência de calor a partir de sondas geotérmicas: no entanto, dadas as quantidades modestas utilizados e o uso de fluidos com baixa toxicidade, este impacto é quase insignificante

.

Sistemas de circuito aberto podem causar depleção do aqüífero, poluição entre diferentes aqüíferos e, em alguns casos, até subsidência.

Aspectos económicos

As bombas geotérmicas de calor são caracterizadas por altos custos de instalação e baixos custos de manutenção. Como resultado, eles representam um investimento de médio a longo prazo.

 

Em geral, as economias em custos de manutenção das instalações variar entre 20 e 60% em comparação com plantas de combustível fóssil tradicionais.

Quanto aos tempos de amortização, não há muita informação sobre o assunto, mas em média são menores de 10 anos e dependem:

  • Dimensões de instalação: especialmente em sistemas de circuito aberto, há economias substanciais em usinas maiores (economias de escala);
  • custos de instalação: em mercados mais maduros, como no norte da Europa, os custos de perfuração e instalação (especialmente para sistemas de malha fechada) são mais baixos;
  • custo da eletricidade e dos combustíveis fósseis: o mix de energia para a produção de eletricidade, a concorrência entre os operadores, os impostos e os impostos indiretos sobre os combustíveis determinam as fortes diferenças entre um país e outro;
  • incentivos, benefícios fiscais, empréstimos subsidiados.

Também podem ser instaladas bombas de calor geotérmicas pela ESCO, empresas que cobram os custos de instalação de medidas de eficiência energética, compartilhando os ganhos derivados da economia de energia.

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Última revisão: 27 de setembro de 2018