Sistemas Geotérmicos de AVAC. Luciano de Almeida Marcato Ger. Produtos Daikin Applied

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Luciano de Almeida Marcato Ger. Produtos Daikin Applied

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1. Energias Renováveis em Foco 2. Energia Geotérmica

3. Fundamentos Bomba Calor

4. Conceito e Fundamentos Sist. Geotérmicos 5. Tipo de Loops de Sist. Geotérmicos

6. Loop Vertical Fechado – Dimensionar Troc. Calor 7. Sistema Híbrido Geotérmico

8. Considerações

9. Regras & Diretrizes de Projeto de Sist. Geotérmicos AGENDA

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1. Energias Renováveis em Foco

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12 12

Energia Geotérmica do Sol

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The earth is like a solar battery absorbing nearly half of the sun’s energy. The ground stays a relatively constant temperatura through the épocas,

providing a warm source in winter & a cool heat sink in summer. 4% absorvido pelas nuvens 17% refletido pela nuvens 6% refletido pela superfície 19% absorvido por poeira e vapor

d´água 46% absorvido pela terra Espaço Atmosfera Terra 100%

U.S. Dept. of Energy Sistemas Geotérmico ~ Visão Geral & Introdução

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A 0.3 m de profundidade a temperatura do solo varia 19.5°C

A 2.0 m de profundidade a temperatura do solo varia 8.3°C

A 5.0 m de profundidade a temperatura do solo varia

menos que Um Grau ( 0.55°C )

Desprezível abaixo de 15 metros

Temperatura do subsolo depende do clima , localização geográfica , tipo de solo , inclinação do terreno , propriedades do solo , cobertura de neve

Enquanto o Sol brilhar e houver calor no centro da Terra estamos OK . A energia está aí para ser usada e aproveitada

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Temperaturas de água subterrânea *

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Temperaturas de água subterrânea * BTR = Banho , Recreação e Turismo PIS = Potencial de Aquecimento e de uso Industrial TDB = Terapêuticas , Banho e Bebidas

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Potencial de Uso de Energia Geotérmica *

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geotérmico aquecimento e resfriamento

Aquecimento e Resfriamento Geotérmico

É indicado para este edifício ? Posso usar ? Se sim , como? Por que? _{Baixos custos de operação ,}

sustentável/verde, bem ajustado as demandas do edifício.

Gás Natural não disponível

Áreas Rurais - Óleo ou Propano Área do Loop localizada abaixo do estacionamento ou campos

Construções Novas e Retrofits

Planta Central (Loop Geotérmico , Central de Bombas ) podem ser construídos em paralelo a

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O que são Sistemas de aquecimento e resfriamento geotérmicos?

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Sistema Torre / Boiler – 1970’s

EWT = 15.5 a 38°C.

2.0 GPM a 3.0 GPM / ton.

Loop de Temperatura controlada Boiler opera abaixo de 15.5°C. Torre opera acima de 29.5°C.

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Loop de Sistema Geotérmico - indireto

Sem torre de resfriamento

Sem boiler

Subsolo ( terra / água ) são meio de dissipação do calor

Loop de Temp. não controlado. Usar tubos de polietileno.

Poços espaçados de 15-25 ft Sem economizadores lado ar .

Sistema de Aquecimento elétrico Sem gás natural

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25 25 Componentes WSHP 25 Compressor Moto-Ventilador Serpentina Filtros Condensador Válvula Reversora Caixa de Força Controle DDC

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Condensador Tubo Tubo

Tipo Coaxial Refrigerante Água

Entrada de água

Saída de Refrigerante Saída de Água

Entrada de Refrigerante

Contra fluxo no modo resfriamento & Fluxo Paralelo no Modo Aquecimento

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Tipos de Unidades HVAC Geotérmico

WSHP Vertical ¾ a 6 TRs

Horizontal montagem em forro ½ a 10 TRs Verticais - 6 a 25 TRs High-Rise ¾ a 3 TRs Console ½ a 1½ TR Chiller Água-água 3 a 35 TRs Rooftop - 3 a 35 TRs Templifiers

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29 29 29

Benefícios de bomba de calor geotérmico

Bombas de Calor Geotérmicas circulam água através de loop de tubulações enterradas onde é

naturalmente aquecida ou resfriada pela Terra

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Benefícios de bomba de calor geotérmico

Temperatura Ambiente = 35°C ( 95°F )

Bombas de Calor Geotérmicas transferem calor do edifício para o subsolo no modo resfriamento

Terra pode ser usada para rejeitar calor no verão

23°C

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Temperatura Ambiente = -20.5°C ( -5°F )

Bombas de Calor Geotérmicas transferem calor do subsolo para o edifício no modo aquecimento ( Heat Pump )

Terra é uma boa fonte de calor no inverno

10°C 22°C

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Sistema AVAC convencional Gás/Elétrico

14.6 kWh_Thermal 1.6 kWh_Thermal Power _Plant

Gas 13.1 kWh_Thermal 11.8 kWh_Thermal 0.5 kWh_ELEC(Ventilador power)

Perdas de Geração & Transmissão Ventilador 0.5 kWh _Thermal Gas 9.5 kWh _Thermal Total 10.0 kWh _Thermal Caldeira

Gas 80% Eff. 9.5 kWh Thermal

(carga)

(Fonte)

Ventilador Caldeira

O Sistema de Gás natural tem perdas de transmissão da ordem de 10% , mais as perdas da caldeira à gás . Também é necessário usar energia elétrica para rodar os ventiladores . Então o total de energia necessária para gerar 10 kW de aquecimento é de 14.6 na fonte .

Isso nos dá uma eficiência total / global de 68%

Modo Aquecer

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Bomba de Calor Geotérmica

9 kWh _T Usina Força 2.7 kWh _E

Bomba Calor Geotérmica

COP = 3.7 10 kWh T

Bomba de Calor Geotérmica somente requer de

9 kWh_T da fonte primaria de energia para

fornecer 10 kWh_T para o edifício pois tem boa

eficiência ( COP de 3.7 )

Perdas de Geração & Transmissão

Fonte _carga

Modo Aquecer

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Avaliando projeto de Sistema Geotérmico Somente Sistema Geotérmico pode ser considerado?

Existe Budget para o Sistema de AVAC , geotérmico ou não ? O cronograma permite tempo necessário para instalar Sist. Geotérmico ?

Existe planejamento do tempo necessário para fazer o Loop ? Pode o Loop Geotérmico ser instalado antes da construção do edifício começar ?

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Opções

( conexão com subsolo )

Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície

Loop Vertical fechado Loop Horizontal Fechado

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Loop Horizontal Fechado  Valas de 1 a 3 m de profundidade  Abaixo de 1,5 metros pode requerer reforço lateral nas paredes

 Temperaturas de

entrada de água de -1,0° a 43°C

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geotérmico Loop projeto

Software

Exemplo – Estado Unidos  Bom Custo benefício quando terra é barata

 Necessita de 232 m2_{por TR}

 Valas com 3,0 m ou mais de profundidade

 Para produzir 1 TR de capacidade

 Valas com aproximadamente 90 m

 Comprimento total ida e volta de 180 m

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 Melhor para uso de área não limitada

 Necessita de 232 m2_{por TR}

 Usualmente 45 a 70 metros

de vala por TR

 Requer uso de software de

cálculo de tubulação

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SAÍDAS CIRCUITOS

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40

Software de projeto Loop geotérmico

Loop Helicoidal

 Para produzir 1 TR de capacidade

 Valas com aproximadamente 35~40 m

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41

10 TRs = 10 valas de 1 TR

Valas de 38m com aprox. 183 m de tubo de ¾”

140 m2_{por TR}

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Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície

Surface água / Lake Loop

 Temperaturas de entrada de água 1.5°C a 30°C  Profundidade de água - Mínimo de 2.4 m. Média de 3 a 3.5 m & até 6 m.  Média de 15 TR por acre & até 85 TR por acre

 Ancorar o loop ao

fundo do lago / reservatório

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Verão - Resfriamento Evaporativo - Inverno = Calor vem do subsolo

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44 44

(44)

45 45

(45)

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Loop Vertical Fechado

 Profundidade dos poços

de 60 a 180 m

 Espaçamento entre

centros dos poços de 4.5 a 7.5 m ( uso comercial )

 Temperaturas de Água

-1,0 a 43°C.

 Projetado usando arranjo

de tubulação com

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One Pair Two Pair Series/Parallel One Pair

Avg D e p th Avg D e p th Avg D e p th

When Loops are s hallower than one ton per loop

Um Par Poços de 60 a 75 m/TR (Residencial) Poços de 60 a 125 m/TR (Comercial) Dois Pares

Um Par  Série / Paralelo

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49 49

Poços Diâmetro de 4”, 5” e 6” U-bends ¾”, 1” or 1¼” argamassa

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50 50

(50)

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 Melhor opção para espaço limitado

 Requer aprox. 24 m2 de área de superfície por TR

A

• 3 circuitos

• 8 poços/circuito

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53 53

53

Conexões

típicas

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Antes

Depois

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Escola Elementar

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56 56

Respiros Válv. Isolamento Sensores de Pressão/Temperatura Coletores Múltiplos Secundarios (3 Pol.) Coletor Principal ( 8 Pol.)

Loop vertical 1,0 Pol, Juntas Termofusão

com conexões flangeadas

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58 Casa de Máquinas

Bombas

Hidrônicas

Geotérmicas

Primária e

Reserva

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59 59 59 Campo de Loop Teste de Pressão Tubulação PEAD Caixa de Coletor

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60 60

Loops Verticais

60

Tubulação Plástica:

Polietileno de Alta Densidade PE AD(PE 3408)

 1 Pol. – Poços de 60 a 90 m profundidade

 1¼ Pol. – Poços de 75 a 125 m profund.

 Tubos de PEAD de 2 a 12 Pol. Diâmetro

são usados para coletores do Loop

Curvas tipo U-Bend

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• Tubulação pode ser unidas com juntas tipo sela , soquete ou soldadas • Acessórios de ancoragem mecânica são recomendados

• Garantia de 50 anos no Loop

Junta Termo Fusão tipo Soquete Junta Termo Fusão tipo Sela

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Sistema Geotérmico: Diretrizes de projeto

• Tipicamente 2.4-3.0 GPM/TR – coletor de 4,0 Pol/ 30 m de loop • Dimensionar loop com base nas cargas de pico de resfriamento e

aquecimento

• Temp. entrada água projeto (verão) é 32°C; 5.5°C abaixo máx.. temp. exterior

• 1 TR por poço, 3 GPM/tTR, (3) poços de 69 m = 3 tons ??

• Temp. entrada água projeto (inverno) é 0 a 4.5 °C; 22°C acima mín. temp. exterior

• Use unidade bomba para calor carga de resfriamento total & sensível . • Determinar condutividade térmica do solo – teste em campo.

• Selecione unidades com no mínimo 3.0 COP(14.0 EER) e PD 4 mCA máximo

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Como projetar Sistema de Loop Geotérmico Vertical Fechado

• Cargas do Edifício – quanto calor estamos extraindo ou rejeitando

• Selecione unidades bomba calor para atender cargas totais e sensíveis

• Determine as características do solo

• Selecione a geometria , tipo de argamassa e dimensione o loop TC

• Configure o TC e determine a perda de carga total do sistema

• Determine se é necessário anti-congelante e selecione as bombas

As cargas do edifício determinam o tamanho do trocador geotérmico !!! E NUNCA o contrário ...

Resfriamento: Quanto calor estamos rejeitando para o solo ?

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Resistência Térmica do Borehole

• Água

• Resistência da Tubulação

– Diâmetro Interno – Diâmetro Externo

– Condutividade do Material do tubo

• Argamassa • Resistencia do Solo – Propriedades do solo • Condutividade Térmica • Densidade • Calor Especifico – Espaçamento Menor Resistencia significa um loop geotérmico mais curto

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65 65

Teste de Condutividade do Solo em campo

Ótima maneira de determinar ou confirmar condutividade do terreno

Aquecedor

Bomba

Sistema de Aquisição de Dados Fonte Contínua

de Água Quente

Temp. de Entrada Temperatura de Saída Medidor de Energia

volts

amps

Sensor de Fluxo

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66 66

Dimensionamento de Loop Geotérmico

GchpCalc ENERGY INFORMATION SERVICES, Tuscaloosa, AL

GLHEPRO IGSHPA G L projett Mountain View, CA

Programas de Dimensionamento De Loop Geotérmico

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67

(67)

Poços Verticais de 90 m com U-Bends 1¼ Pol. 3 Circuitos com 8 cada circuito Coletor com tubos 2,0 Pol. Arranjo de Loop de 24 TRs nominais

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69 69

Projeto do Coletor Principal

Considerações projeto

Dreno de Ar e Sujeira Baica Perda de Carga Fluxo Turbulento

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Cálculo do Sistema de Bombas Somar todas Perdas de Carga e selecionar Bombas

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Não “mate” um sistema eficiente com alta perda de carga e alto consumo de bombeamento

• Siga o critério de Kavanaugh’s para sistemas de poços verticais

HP Bomba/100 tons Nível

5 A -- Excelente

5 - 7.5 B -- Bom

7.5 - 10 C -- Mediocre

10 - 15 D -- Pobre

>15 F -- Ruim

Cálculo das Perdas de Carga e Sistema de Bombas

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Bombeamento Distribuído Engineered Systems Maio 2012 Artigo mostrando alguns benefícios do sistema de bombeamento distribuído

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Esquema Típico Geotérmico

Indoor piping with units

Bombas Primárias funcionam 24/7 e consomem muita energia Bombas Secundário com VFD

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Reference: Geothermal Heat Pump Systems, GeoExchange Technology, Curtis J. Klaassen, P.E. Iowa Energy Center, Energy Resource Station

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Cada unidade tem capacidade de bombear água em todo o sistema

Reduz custos de bombeamento Bomba funciona intertravada com o Compressor

Sem válvulas de controle

60 ton maximum piping loop (180 GPM) and 40’ (30’+ 10’ unit) max. head

Assume the job is (20) 3-ton units at 9 GPM each – see next slide

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Loop de Bombas Instaladas em fábrica Bombeamento distribuído ou descentralizado

Projetadas para sistemas geotérmicos sem bombeamento central

Uma ou Duas Bombas são instaladas em cada unidade e circulam água quando compressor entra em funcionamento . Bombas instaladas em série e não existe sistema central de

bombeamento

Deve ter muito critério na aplicação e projeto , pois todo sistema deve ser corretamente

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Sistema Geotérmico Híbrido

 O que é um projeto “híbrido”?

 projetando um sistema “híbrido”

 SEMPRE é possível reduzir o custo inicial

de um sistema geotérmico .

 Use em qualquer caso onde haja

desbalanceamento das cargas de

resfriamento e aquecimento , tipicamente quando a carga de resfriamento é maior

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79

Adicionar Torre de Resfriamento para auxiliar a rejeição de calor ( e diminiur tamanho do loop )

O Loop é normalmente dimensionado para a maior carga , em geral de resfriamento. No caso de sistemas híbridos , o loop é dimensionado com base no aquecimento .

. . . ou, então simplesmente dimensionar o loop geotérmico o menor / mais barato e somente ter custos de operação

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ASHRAE Journal September 2006

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Application: Restaurant

Floor area: 4,500m2 (1,500m2 x 3F)

Air-conditioner: Water heat source VRV x 228HP

Location: 3F skip floor

Heat source: Underground concealed pipe Auxiliary heat source: Closed loop cooling tower Treatment of fresh air: Air cooled VRV with outdoor

processing indoor unit x 60HP

Fonte de Energia: Loop vertical tipo fechado Localização: Parque em frente

Núm. Poços Verticais 160 Profund. Poços : 60m

Cargas do Loop ( TC ) Resfriam =78W/m

Aquecim.=52W/m

Picos Totais de Carga: Resfriam.=748.8kw

Aquecim.=499.2kw

Area de Loop Geotérmico

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To area A To area B To service area Circulation water for area A Circulation water for

area B Circulation water for service area Secondary pump

for service area

Underground concealed pipe VRV -W VRV -W VRV -W VRV -W VRV -W VRV -W VRV -W VRV -W VRV -W Energy plant central water supply

闭式冷却塔

Closed loop cooling tower

Pressure differential by-pass valve

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SmartSource Inverter

Características básicas…

Variable-Speed Inverter Compressor

Desuperheater Option –

For “free” domestic hot water

Variable-Speed, ECM Motor – For precise

fan control, even at high static pressures Up to 0.8 ESP

Durable Powder Coat Paint – for

increased equipment life

Flush Water Fittings – For

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SmartSource Inverter – Alto EER/IEER

• 46% to 110% full load capacity

• 1⅓ to 3¼ Tons

• 49.1 EER at 46% capacity

• 20.3 EER @ 100% capacity

• 3.9 COP in heating at full load

• 50% to 127% full load capacity

• 2 to 5⅛ Tons

• 47.4 EER at 50% capacity • 21.9 EER @ 100% capacity

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Alta Eficiência quando é mais preciso

-20 -11 -7 -3 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89

Outdoor Air Temperature (F)

-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 EER -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 EER -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 EER H ours of Operati on EER Heating EER Cooling EER

127% Heating Range 50% 50% Cooling Range 127%

8760 Hour Weather Data – Saratoga Springs, NY

SmartSource Inverter – Vantagem em cargas parciais

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Regras básicas de projeto para WSHP

• Temperatura do fluido de -1°-44°C, com base na região

• Tipicamente 2.5 a 3.0 GPM/ton. Deve ter fluxo turbulento Re=2500. • Dimensione o loop de com base nas cargas de pico de resfriamento

e aquecimento .

• Temp. de projeto verão é de 32°C EWT; 10°C abaixo max. temp.

• Poços tem usualmente entre 60 e 120 metros , chegando até 180 m. • Temp. de projeto inverno é de 0 a 4.5°C EWT; 22°C acima min. temp. • Dimensione o sistema para atender cargas totas e sensíveis Aq/AC. • Determine a condutividade do solo – Teste em campo

• Sistema de tubulação com PEAD utilizando drenos , BAQ e Tq exp. • Poços devem ter argamassa otimizada com melhor condutividade • Minimize perdas de carga na tubulação  meta de 7½ hp/100 TRs. • Use anti-congelante – pouco é bom , muito é ruim .

• Selecione unidades com 14.0 EER ( C ) , 3.0 COP ( H ) com perda de

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R E S U M O

As cargas do edifício determinam o tamanho do trocador Software de Dimensionamento do Loop facilitam trabalho do

projetista

Estudo Ciclo de Vida é a melhor maneira de comparar sistemas Sistemas Geotérmicos Híbridos reduzem o custo de instalação

do loop geotérmico

Custos de Operação são geralmente maiores para sistemas híbridos, porém são menores que sistemas de chillers com AHU

e FCUs 4 tubos

Sistemas Geotérmicos Híbridos trabalham melhor em climas mais quentes, Resf./Aquec. maior que 6 e ainda melhor que

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91

Questões

????

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Luciano de Almeida Marcato Ger. Produtos Daikin Applied

Luciano.marcato@daikin-mcquay.com.br