Guia para principiantes sobre bombas de calor através de energia geotérmica

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1 Guia para principiantes sobre bombas de calor através de energia geotérmica Artigo apresentado por Neil Packer, Staffordshire University, RU Abril 2011 Perspetiva Geral O que é uma bomba de calor? É semelhante a uma bomba de água? Bem, na realidade um pouco mas existem algumas distinções significativas. Uma bomba de água serve para mover a água de um local para outro. Uma bomba de calor é um aparelho para mover energia de um local (fonte de calor) para outro (um depósito de calor) através da alteração do seu estado (líquido ou gasoso) e pressão feito por uma substância que transporta calor e serve de intermediário. Para podermos ponderar sobre estas questões necessitamos de alguma Termodinâmica (nada mais que o estudo da energia). Evaporação e condensação Falemos primeiramente de água, substância com a qual todos estamos familiarizados. Sabemos que a água muda de propriedades ou estado da forma líquida para a gasosa à temperatura de 100ºC de pressão atmosférica. Dizemos que evapora ou ferve Se for arrefecida abaixo dos 100ºC de pressão atmosférica irá transformar-se novamente em estado líquido. Se elevarmos a pressão ambiental torna-se mais difícil de as moléculas da água se separarem sem qualquer tipo de energia adicional e por consequência a temperatura para fervura aumenta com o aumento da pressão. Por exemplo a uma pressão atmosférica de 2x o ponto de ebulição da água aumenta para 120ºC A pressões que se encontrem abaixo da pressão atmosférica acontece precisamente o mesmo, a água muda do estado líquido para o gasoso mais facilmente. Por exemplo a 0.5x de pressão atmosférica a água irá ferver a uma temperatura de 81ºC. Os líquidos refrigerantes são substâncias que se comportam de forma muito semelhante com a exceção de que a qualquer pressão atmosférica tendem a ferver com temperaturas mais reduzidas do que as necessárias para a água. Por exemplo o refrigerante R-134a sujeito à pressão atmosférica ferve a -26ºC. Qual a razão para nos darmos ao trabalho de fazer com que uma substância evapore ou condense? Bem, ao comparar com a transferência energética que ocorre devido a uma simples alteração de

2 temperatura, vastas quantidades de energia de calor poderão ser absorvidas ou rejeitadas pela evaporação ou condensação e é este o fenómeno explorado nos aparelhos de refrigeração e bombas de calor. Aparelhos de refrigeração e bombas de calor A ter em conta os frigoríficos de uso diário. Imagine que acabou de adquirir um frigorífico novo em folha e que o ligou pela 1ª vez. O ar dentro da parte de congelação (ou evaporatório) encontra-se inicialmente à temperatura ambiente e existe mais do que energia suficiente para ferver o refrigerante embutido na serpentina. Após ter perdido alguma energia o ar é um pouco arrefecido. (o ar poderá ficar tão frio que qualquer vapor de água que contenha não só fica condensado como acaba por congelar criando gelo no interior do congelador tornando-se um inconveniente). É necessário rejeitar o calor proveniente do frigorífico de forma a poder ser novamente circulado através do evaporatório para continuar a refrigerar o conteúdo do congelador à temperatura necessária para a conservação dos alimentos. Apesar de o frigorífico absorver uma grande quantidade de energia através da evaporação nunca aquece demasiado pelo que não será capaz de rejeitar qualquer aumento da temperatura do ar que o rodeia devido a uma pequena alteração da temperatura. A resolução para o problema é aumentar ou Bombear a pressão originando assim um ponto de fervura do frigorífico controlado através de um compressor elétrico (regra geral um depósito negro localizado na parte traseira do fundo do frigorífico). frigoríficos de temperatura mais alta poderão não só rejeitar mais facilmente o calor libertado pelo ambiente envolvente, causando uma condensação nas espirais (ou condensador) situado na parte traseira do mesmo. O líquido refrigerante é então novamente posto em circulação para a parte do congelador para repeti o processo. A funcionalidade do frigorífico de uso doméstico é precisamente o de arrefecer o seu conteúdo. O calor extraído é apenas um incómodo do qual nos queremos ver livres. Apesar de ser basicamente idêntico, quando a preocupação principal não se prende com o

3 arrefecimento da fonte de calor mas sim torna-se num fator chave necessário de extrair, o aparelho passa a ser denominado de Bomba de Calor. As bombas de calor são assim aparelhos que combina um fonte de calor de nível reduzido com alguma energia elétrica reduzida de forma a produzir um elevado nível de fonte de calor. A eficácia do desempenho de uma bomba de calor é descrita através do seu coeficiente de desempenham (COP) que é definido como: COP = quantidade de calor rejeitado pelo condensador/ entrada de potência elétrica feita através de um compressor. Quanto maior for o resultado do COP, melhor visto que se está a obter mais calor para direcionar para o consumo energético (pelo qual paga). Bombas de calor subterrâneas as bombas de calor subterrâneas usam o soo, água superficial ou subterrânea com fontes de calor de baixo nível para elevar a temperatura da água para o aquecimento de espaços ou uso de águas quentes e sanitárias. Neste tipo de sistemas«é importante notar que existem, normalmente, três circuitos separados (ver figura abaixo) onde os fluxos de três materiais de transporte de energia ficam a uma distância reduzida uns dos outros (dentro dos transmissores de calor) possibilitando assim a transferência de energia. Contudo os fluídos nunca se misturam. Os circuitos são: O circuito de fonte de calor um circuito de água/ anti-congelante bombeada através de um circuito fechado de tubagens, ligado a nível térmico entre o solo e o refrigerador instalado no evaporatório conectado través de uma transferência de calor (EXH). Circuito de refrigeração um sistema de canos em circuito fechado que contém o conversor de calor evaporado (EHX), um compressor, o conversor de calor condensado (CHX) e uma válvula de pressurização ou de compensação (PRV). Circuito de depósito de calor um circuito fechado de tubagens ligando a nível térmico o refrigerador dentro do conversor de calor condensado (CHX) com a carga de aquecimento, por exemplo radiadores, tubagens de aquecimento de chão etc.

4 Do solo Bomba EXH PRV CHX Para os circuitos c dos edifícios Circuito de Fonte de calor Circuito de Circuito de depósito de refrigeração calor c Para o solo Bomba Dos circuitos de aquecimento dos edifícios Compressor Bomba de Calor Apesar de o apresentado acima ser meramente um esquema é bastante indicativo do aspeto de uma bomba de calor, ou seja, uma caixa com quatro tubos, dos quais um par se dirige para o circuito do solo e outro par que alimenta o circuito de aquecimento do edifício. O circuito da Fonte de calor (de e para o solo) Primeiro necessitamos de fazer a distinção entre sistemas de fonte terrestre e sistemas geotérmicos. Os sistemas geotérmicos usam fontes de calor geológicas das profundezas da Terra onde as fontes rochosas podem atingir 100 graus centígrados. Por comparação os sistemas de fonte terrestre extraem, por norma, o calor de profundidades de 100m ou menos onde a energia armazenada resulta do acumular da energia solar. Normalmente isto pode resultar em temperaturas que variam entre 20ºC à superfície e vai reduzindo para aproximadamente 10ºC a profundidades de mais e 15m. Isto não parece ser muito promissor para fazer o aquecimento de um edifício mas, é precisamente o tipo de energia de calor de baixo nível que pode ser usada numa bomba de calor. Tal como descrito anteriormente, extrair a energia do solo irá implicar o uso de um circuito fechado de canalização de água/ anticongelante bombeado no solo. Existem duas formas de direcionar o

5 circuito fechado de canalização: em valas e furos de sondagem. A escolha irá depender das condições do solo e da área disponível. Valas horizontais são utilizadas em situações em que a área disponível é bastante e a remoção de detritos não é um problema. As dimensões típicas de uma vala horizontal são: 1m de largo x 1,2m de profundidade. As valas verticais poderão ser usadas em locais de acesso limitado e ausência de grandes pedregulhos. Os furos de sondagem são utilizados em casos extremos de áreas reduzidas. È normal verificarem-se profundidades e m com um diâmetro de m. Em todos os casos, o número de valas ou furos de sondagem irá depender das caraterísticas termais do solo e a quantidade de calor a ser fornecido. O circuito de Depósito de Calor (de e para os edifícios) As caldeiras alimentadas por combustíveis fósseis aquecem a água a uma temperatura entre 70 e 80ºC. As Bombas de Calor Terrestres são capazes de produzir água quente a uma temperatura de cerca de 35-50ºC. Portanto existe energia suficiente disponível a uma temperatura um pouco mais baixa. Consequentemente se um sistema de radiadores tradicionais for usado é necessária uma superfície maior de elementos de emissão. Por exemplo, um sistema que funcione a 50ºC irá necessidade 2x superior de elementos de radiadores que a de um sistema que funcione a 70ºC. A 35ºC, é necessário uma superfície 4-5x maior. Uma solução para este problema é abandonar completamente os radiadores de parede em prol de tubagem de aquecimento instalada no chão o que permite abranger uma área maior, bem como uma situação mais adequada para baixas temperaturas. Pensamento Final as bombas de calor não são tecnologia nova. A sua aplicação para aquecimento de espaços usando o solo como fonte de calor é um pouco mais recente. Sugestões de leitura e pesquisa Sistemas de energia e aplicações, BK Hodge, Wiley, 2010, ISBN

6 Bombas de calor de Fonte de energia Terrestre, Publicações CORGI, Neil Parker é um engenheiro licenciado e orador veterano na Faculdade de Informática, Engenharia e Tecnologia, da Universidade de Staffordshire, RU. Tem ensinado engenharia termofluida e ambiental durante cerca de 20 anos e trabalha como Consultor de baixas Emissões de Carbono fornecendo um vasto leque de serviços energéticos para negócios, industrias e autoridades locais. Detalhes de contacto: faculdade de Informática, Engenharia e Tecnologia Universidade de Straffodshire Beaconside, Strafford, ST18 0AD Phone Number n.parker@staff.ac.uk Esta informação foi apresentada como parte do Projeto de Sistemas de Transferência de Energias Renováveis (RETS) financiado pelo INTERREG IVC através do Fundo de Desenvolvimento Regional Europeu. O tempo de ação do projeto é de Janeiro de 2010 a Dezembro de para mais informações e para entrar na nossa comunidade on-line visite-nos em