GROUND source heat pumps of HIgh Technology project. Projeto GROUNDHIT

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Eliza Corte-Real Borba
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1 GROUND source heat pumps of HIgh Technology project Projeto GROUNDHIT Luis Coelho, João Garcia, Rita Cerdeira, Nelson Tavares Instituto Politécnico de Setúbal, ESTSetúbal, Portugal GROUNDHIT Ground Coupled Heat Pumps of High Technology

2 OBJETIVOS: Apresentar o projeto GroundHit; Descrever a participação do IPS-ESTSetúbal no projeto GroundHit: Nomeadamente, no desenvolvimento de uma bomba de calor geotérmica de alta eficiência (GSHP), para aquecer e arrefecer, com o foco: Na melhor escolha para o fluido refrigerante e tipo de ciclo, durante a fase de conceção do protótipo; Na demonstração do protótipo em condições reais de funcionamento.

3 No projeto GROUNDHIT (GROUND source heat pumps of HIgh Technology project), foi desenvolvida uma bomba de calor geotermica de alta eficiência. O projeto foi financiado pelo Sétimo Programa-Quadro (Seventh Framework Programme - FP7) da Comissão Europeia para investigação, desenvolvimento tecnológico e demonstração. O projeto envolveu 11 parceiros de sete países europeus. O orçamento total foi de O apoio do FP7 foi 46,7% do orçamento total. O projeto foi desenvolvido entre junho de 2004 a maio de 2008.

4 GROUNDHIT Partners: 01. Centre for Renewable Energy Sources (CRES) - Greece COORDINATOR 02. Compagnie Industrielle d'applications Thermiques (CIAT) France 03. Erdwärme-Systemtechnik GmbH & Co. KG (EWS) - Germany 04. Geothermische Vereinigung e.v (GtV) Germany 05. Geoteam Technisches Büro für Hydrogeologie, Geothermie und Umwelt Ges.m.b.H. (GEOTEAM) Austria 06. Escola Superior de Tecnologia de Setúbal (ESTSetúbal) (Portugal) 07. MENTOR S.A. Greece 08. Centre for Research and Technology Hellas (CERTH) / Chemical Process Engineering Research Institute/ (CPERI) Greece 09. THE UNIVERSITY OF ORADEA Romania 10. UNIVERSITY OF SILESIA Poland 11. BRGM - France

5 Os objetivos do projeto são a investigação, o desenvolvimento tecnológico, a demonstração e a disseminação de bombas de calor geotérmicas de alta tecnologia para aquecimento e arrefecimento, através de: Desenvolvimento de um protótipo de bomba de calor geotérmica com melhoria da eficiência energética (COP = 5,5); (10-20% maior do que os valores de COP de outras bombas de calor existentes) (#1); Desenvolvimento de um protótipo de bomba de calor geotérmica com produção de água aquecida a 80ºC (para utilização em sistemas de climatização a alta temperatura) (#2); Desenvolvimento de um protótipo de bomba de calor geotérmica utilizando água a temperatura moderada, (temperatura da água no evaporador, 20-40ºC) com melhoria da eficiência energética (COP=7.0) (#3).

6 Foram estudados diferentes fluídos frigorígenos, durante a fase de conceção: R152a; R600; R717; R134a; R290; R1270; R407C; R407A; R407B; R718; R507; R410A; R410B; R404A; RC318; R236fa A seleção do melhor fluido foi baseado em diferentes parâmetros: COP e várias propriedades termofísicas, incluindo o Potencial de Aquecimento Global (GWP) Foi também tido em conta a situação do mercado, como a disponibilidade de oferta desses fluídos e o mercado de compressores para o fluido selecionado.

7 Foi utilizada a metodologia de análise multivariada para conseguir uma classificação de fluidos através da comparação de cada um dos seus parâmetros mais importantes para a seleção. Sum = n i Ci i= 1 Pmax, n P P i Valor do parâmetro para o presente fluído. P max,n Valor do parâmetro para o fluído com o valor mais elevado; C i -Fator de ponderação da importância do parâmetro (de1, muito pouco importante, até 5, muito importante)

8 Os resultados da análise multivariável mostram que os três melhores fluidos são: Refrigerante Soma dos resultados R134a R407C R410A O fabricante das bombas de calor (CIAT), parceiro do projeto Groundhit, optou por utilizar o fluido R410A, o terceiro melhor fluido de acordo com os resultados da análise multivariável.

9 A melhor configuração para o ciclo bomba de calor, com maior COP, nas condições de funcionamento da presente bomba de calor e utilizando R410A era: O ciclo de dois estágios, com intercooler aberto, à pressão intermediária, correspondendo a 10% de eficiência a mais do que ciclo de referência (um ciclo simples de um estágio). O ciclo de um estágio com permutador de calor interno aumenta a eficiência em 2%, considerando o ciclo de referência. No entanto, devido aos custos, considerou-se que o melhor compromisso é o uso de um ciclo simples de um estágio. Calculations done by COOLPACK software code.

10 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

11 DEMO SITE em PORTUGAL Duas bombas de calor geotérmicas (GSHP, #1) (2 x 15 KW heating ; 2 x 12 KW cooling ); 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

12 Esquema dos circuitos primário e secundário de distribuição de água: West GS HP -A GS HP -B East

13 Central de aquecimento e arrefecimento: - Duas GSHP (15 kw heat cada); - Coletores do circuito primário (ida e retorno) - Sistema de aquisição de dados; - Duas linhas de distribuição independentes (circuito secundário)

14 Furos geotérmicos (boreholes) Double-U pipe 32 mm Boreholes total diameter: 120 mm Sem inário P P GS, 8 de julho, 2013, LN EG, Lisboa 70 mm 40 mm Simple coaxial pipe

15 Boreholes Thermal Response Test (Ground Thermal Conductivity). BHE ΔT (ºC) Flow Rate (L/s) Ground Thermal Conductivity (W/mºC) Coaxial Double U A configuração double U mostra um melhor resultado. O solo apresenta um bom valor da condutividade térmica, devido à sua constituição e à existência de água subterrânea.

16 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).

17 CONCLUSÕES: GSHP com excelente desempenho, 10-20% maior do que os outros COP de bombas de calor geotérmicas existentes; Valores confirmados em condições reais de operação; Protótipo pronto para ser produzido em condições comerciais e lançado no mercado de alta eficiência; Principais características identificadas durante a fase de projeto: R410A; Utilização de compressores de alta eficiência; Evaporador duplo contra-corrente e equicorrente; Condensador de alta capacidade;

18 CONCLUSÕES: A configuração double U mostrou uma maior eficiência do que a configuração coaxial; Melhorias futuras da GSHP em condições de carga parcial são possíveis; A existência no mercado dos produtos desenvolvidos, mostra o sucesso que o projeto teve. O sucesso do projeto permitiu o desenvolvimento de um novo projeto, agora ainda mais alargado em termos de objetivos e consórcio, o projeto GroundMed (Advanced ground source heat pump systems for heating and cooling in Mediterranean climate).

19 Obrigado pela atenção Thank you very much for your attention

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