SISTEMAS TROCADORES DE CALOR GEOTÉRMICOAUT221ARQUITETURA, AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO SUSTENTAVELFAU USP | 2do SEMESTRE 2011 PROF: DENISE DUARTE | ALUNOS: SALOMÉ KOBRA, JUAN P. FERNÁNDEZ G.

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3.1 Ground to Fluid Heat Exchangers (GFHE) ou GSHP, Ground Source Heat PumpsTrocadores de calor subterrâneo para água.

Estes sistemas funcionam mediante um fluído intermediário que retorna o calor por meio de uma unidade trocadora agua-ar, o por meio de lajes radiantes. São circuitos fechados: o fluído ativo é sempre o mesmo, e não contemplam uma renovação dele.

a.Vertical: Os tubos descem e sobem numa linha reta de perfuração até uma profundidade de 30 a 120m, afastados uns dos outros de 6m... O tamanho dos tubos e o número destes, depende do tamanho e tipo de projeto, e a quantidade e profundidade dos poços é determinada de acordo com o tipo de solo. Este é o sistema mais eficiente dos deste tipo porque seu objetivo é alcançar as profundezas onde não existe mudança de temperatura durante o ano , no entanto, é também o mais caro devido ao equipamento de perfuração e do alto nível técnico exigido para instalação .

b.Horizontal: Consiste de uma série de tubos dimensionados de acor-do com o projeto em execução, os quais recorrem um campo a uma profundidade que varia geralmente entre 1,5 e 4m , com uma distância entre eles determinada pelo tipo de solo. São os mais comuns dentro dos sistemas terra-agua, e por sua vez, os que tem a implementação comparativamente mais econômica , mas não alcançam os níveis de eficiência das instalações verticais e exigem uma grande área de super-fície disponível para a instalação dos tubos.

c.Slinky(Mola): É um sistema patenteado que, basicamente, permite a instalação de sistemas horizontais em áreas mais reduzidas, isso é conseguido por o “rolamento” do tubo a uma profundidade que varia entre 1,5 e 4m .

3.2 Groundwater heat exchangers (GWHE) Trocadores de calor de águas subterrâneas.

Estes sistemas, de operação tipo “open loop”, trabalham diretamente com água de fontes subterrâneas, a qual é incorporada a instalação interna do recinto e depois descartada. Estes sistemas são mais econô-micos a implementar do que sistemas GFHE, mas por sua vez exigem mais manutenção e condições mais específicas (qualidade da água, fil-tros, etc ..). Outra vantagem destes sistemas é que a água, sendo um líquido que constantemente renova-se, não sofre os efeitos da sobreso-licitação térmica que podem ter os sistemas terra-ar. Existem dois tipos de sistemas GWHE:

a.Dois poços: Basicamente, consiste em um poço de extração de águas subterrâneas já temperada pelos efeitos do subsolo, e um se-gundo poço de injeção das águas que já passaram pelo sistema interno do ambiente construído.

Aeroporto de Zurique, terminal EArquiteto: GrimshawLocalização: Zurique, SuiçaArea: 58 000 m2Volume: 200 000 m3Ano: 2006

Descrição do projeto:

E o novo terminal do Aeroporto de Zurique ara 26 aviões tem um com-primento de 500 metros e uma largura de 30 metros para 4 andares. Desde que foi construído numa zona freática, teve que ser usado 440 estacas numa profundidade de 30 metros para as fundações. Os pilhas têm 90-150 cm de diâmetro.

Caraterística geotérmica:

310 destas pilhas são usadas como pilhas trocadores de energia. Em cada estaca passa um tubo em forma de U com um fluído para a trans-ferência de calor.No verão, 470 MWh de frio são atraídos do solo para resfriar o terminal a temperatura de 21°C (free cooling sem o uso de bomba de calor).No inverno, o calor do solo é coletado (1100 MWh) e montadas em 30-40 ° C por uma bomba de calor.No total 75% da energia utilizada para aquecimento e arrefecimento vem desses pilhas de energia, cujo projeto tem sido facilitada pelos cálculos de simulação para o estudo detalhado do projeto.

Glass bottling Plant CristalchileArquiteto: Guillermo HeviaLocalização: Llay-Llay, ChileArea: 27 000 m2Ano: 2006Materiais de construção: aço, vidro e concreto

Descrição do projeto:

A nova fábrica de Cristalchile em Llay-Llay incorpora o uso de tecnolo-gias bioclimática (geotérmica, eolítico, iluminação e acústica) para os edifícios, bem como para processos de produção, com um compromisso real com manutenibilidade, economia de energia, qualidade de vida e meio ambiente. É importante destacar que é uma indústria com pro-cessos de produção, mas o mais importante de tudo, com pessoas que trabalham.Esta fábrica de engarrafamento de vidro possui ventilação passiva e uma estratégia de uso de luz natural que reduz o consumo energético do edifício.

Caraterística geotérmica:

O uso de ventilação natural (Venturi) fazendo uso dos ventos existentes e ventilação do telhado; o ar quente da área de produção é retirado e a temperatura é dissipada através de buracos nas fachadas de vidro (a temperatura interna é sempre superior do que a externa). Através geotérmica, ar, a uma constante de 20 ° C, é incorporado em áreas de trabalho. O ar é naturalmente tratado em tubulações subterrâneas (3 m de profundidade), utilizando apenas 7 ventiladores mecânicos.

Técnico:-Para 1kWh de eletricidade consumido a bomba de calor restitua 2 à 7 kWh de calor.-A bomba de calor é um sistema que é reversível, então dá a possibi-lidade de aquecer e resfriar quando necessário.-Existe um grande número de sistemas: por exemplo os horizontais são fáceis de instalar; os verticais não precisam de uma grande super-fície no terreno.-O sistema é resistente ao longo do tempo, até 40 anos

5.3 Desvantagens:

Ecologia:-As foragens no solo podem ser um risco ecológico-Os fluídos refrigerante utilizados são nocivos para o meio ambiente-Não se pode plantar uma árvore à proximidade

Economia:-O custo de instalação é elevado mas pelo menos o investimento é recuperado a longo prazo.

Técnico:-Os tubos podem sofrer de dilatação ao longo do tempo.-A terra pode virar seca e reduzir o desempenho.-Para a instalação, tem que se fazer um estudo preliminar importante do terreno e do edifício que requeira especialistas qualificados.-Para a renovação é complicado para instalar, a combinação com o sistema atual pode ser um conflito.-Nos grandes picos de temperatura, o sistema fica insuficiente e tem que ser combinado com um sistema convencional.-O rendimento do sistema depende das condições climáticas do sitio, e também, sua intalação depende das condições do solo.

5.4 Comparação de sistemas

Os sistemas terra/ar e água/ar são os mais comuns:

Sistema terra-ar (passivo): climatização e ventilaçãoVantagens:

-económico: reduz consumação eletrica-ecológico: não usa fluido refrigerante e bomba de trocador de calor-execução: COP atinge 10-20-manutenção: limitada-investimento: recuperado a longo termo-custo energético: baixo: só usa ventilador-integração possível: com outros sistemas de climatisação-associação com máqina frigorífica quando tiver ponta de calor-melhora a qualidade do ar-melhora o conforto térmico

Sistema terra-água (ativo): ClimatizaçãoVantagens:

-mais económico: compra e montagem-mais facil para montagem-tubo mais pequeno: diametro = 32mm (em vez de 200mm)-sistema higiénico: não tem condensações, bacterias e mau cheiro-não tem terminal de entrada de ar-não tem risco de infiltração externa

5.1 Conclusão

O sistema de troca de calor geotérmico já era usado na antiguidade mas foi usado de novo desde da década dos anos 50. Este sistema é uma maneira sustentável de aquecer ou resfriar o ambiente de um jeito passivo. Ele usa energias renováveis mas também um pouco de eletricidade para funcionar. Por isso não é totalmente ecológico, mas a quantidade de eletricidade usada é muito fraca comparada à energia fornecida. É um bom meio para aumentar a eficiência energética. Mas o trocador de calor geotérmico não é um fim em sim. Ele faz parte de um grande número de meios para aumentar a eficiência energética dos edifícios com menor impacto no ambiente.

Durante a concepção de um edifício, muitos factores vão ser tomados em conta e um conjunto de soluções (arquiteturais, solares, geotérmi-cas, …) vão responder às exigências de sustentabilidade.

Como todos os tipos de energias, o sistema de troca de calor geotérmi-co tem vantagens e desvantagens:

5.2 Vantagens:

Ecologia:-Aumenta a eficiência energética com impacto menor no ambiente.-Não produz lixo ou CO2.-A energia geotérmica é ilimitada.

Economia:-Alguns estados dão ajuda financeira para a aquisição destes produtos.-O sector da geotermia é criadora de empregos nas áreas de pesquisa geológica, engenharia civil, térmica, elétrica, gestão de projetos e des-envolvimento de negócios.-A geotermia faz parte das energias renováveis mais rentáveis: o con-sumo de eletricidade desce de 25 à 75 % comparado aos aparelhos clássicos.

Centro de águas urbanas, TacomaArquiteto: Perkins e WillLocalização: Tacoma, WA, EUAArea: 4 750 m2 (com 3 andares)Volume: 57 000 m3Ano: 2010

Descrição do projeto:

O Centro de Águas Urbanas foi idealizado pela cidade de Tacoma a ser um farol na água e um exemplo do uso de construção e estratégias de local sustentável para todos os futuros projetos na cidade.O programa de construção é composto de laboratórios, escritórios, salas de conferências, uma sala de almoço, um centro de exposições, um centro de atendimento ao cliente na entrada do lobby, e serviços de construção relacionados.O edifício foi concebido para alcançar a certificação LEED Platinum, e algumas das estratégias de sustentabilidade incluem ventilação na-tural dos ambientes de escritório, sombreamento das fachadas sul e oeste, telhados com vegetação, coleta de águas pluviais e reúso de água. Materiais selecionados para o interior do edifício e exterior fo-ram selecionadas com base na quantidade de material reciclado, onde o produto foi fabricado, a quantidade de VOCs (compostos orgânicos voláteis) no produto, e se o produto foi certificado (como no caso de produtos de madeira).

Caraterística geotérmica:

Refrigeração de ventilação natural e uma bomba de calor terra-fonte que transfiram as lajes de piso radiante reduzam a energia necessária para aquecimento e arrefecimento.Utilizando um campo de 72 poços trocadores de calor subterrânea para água, um sistema de bombas de calor que serve lajes de piso radiante proporciona aquecimento e refrigeração para todo o edifício.

Publicações:1) LUND, J.; SANNER, B.; RAYBACH, L.; CURTIS, R. and HELLSTROM, G. Geothermal (Ground-source) heat pumps, A world overview. GHC Bulletin, Sept 2004. 2) AHMED, A.; MILLER, A.; IP, K. The potential of earth-air heat exchan-gers for low energy cooling of buildings. 24th Plea, Conference on passive and low energy architecture, 2007. (on-line) www.scielo.org3) ESCUER, J. Intercambiadores tierra-aire en la climatización de construc-ciones, pozos provenzales y técnicas emparentadas. (on-line) www.geocon-sultores.com/ficheros/891923b522b238cae5db7601bc82a93b.pdf4) U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (DOE). Geothermal Heat Pumps. Energy Efficiency and Renewable Energy (EREC) Fact Sheet. Sept 1998. (on-line) www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24782.pdf5) SANTAMOURIS, M. and ASIMAKOPOULOS, D. Passive Cooling of Buildings. James & James Science Publishers Ltd. London. 1996.6) RAFFERTY, K. An information survival kit for the prospective residential geothermal heat pump owner. GHC Bulletin, April 2007.7)ALVAREZ, CEJUDO, GUERRA, MOLINA, VELÁZQUEZ. Control climáti-co en espacios abiertos: Evaluación del proyecto expo ’92. Editorial CIEMAT. Sevilla. 1994.

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1.1 O que é a geotermia ?

E a ciência que se ocupa do estudo do calor proveniente da interior da terra. A temperatura/energia do solo é um recurso renóvavel que pode ser utilisado para climatisação (aquecimento e resfriamento) e a produção de eletricidade. Em esse estudo se aprofundará em suas aplicações na área da arquitetura; as quais são principalmente de baixa profundidade.

1.2 O que é um trocador de calor geotérmico ?

Um trocador de calor geotérmico é um sistema que permite a clima-tização natural das edificações. Esse método permite o esfriamento durante o verão e/ou o aquecimento durante o inverno de ambientes construidos.

Baseia-se no facto de haver uma diferença de temperatura entre:-o subsolo, onde a temperatura é pouco variável, e que fica igual a tem-peratura média anual externa.-a superfície, onde a temperatura é variável.

Portanto, a capacidade de aquecimento e esfriamento do sistema es-tará determinada pela variabilidade térmica da localização. A maior di-ferença de temperatura entre a meia e as máximas garante uma maior eficiência do sistema.A troca de calor do solo (terra, águas subterrâneas, águas superficiais) é feita através de ar, água ou outros tipos de fluidos como a água glico-lada (água com anticongelante).

2.1 Tipos de Tubos

Os sistemas trocadores de calor podem variar tanto por sua finalidade de uso como por seu meio o fluido, mesmo assim, as redes de tubos tambem variam segun fatores como as caraterísticas do solo ou tipo de fluido que vão a transportar. Asim, os principais tipos de tubos utilizados são:

a.Tubos de plástico: São utilizados principalmente nos sistemas que usam água como fluido, e em instalações de tipo terra-aire de peque-na dimensão. Segum os requerimentos podem incorporar propiedades fungicidas, germicidas ou similareis.

b.Tubos de concreto / piedra: São utilizados só em sistemas terra-ar, tem a qualidade de não sobrecarregar a capacidade térmica do solo debido à inércia térmica do tubo mesmo. Podem incrementar a susten-tabilidade do projeto ao poder ser construidos locamente.

c.Tubos metálicos: São utilizados em sistemas terra-ar de grande tamanho. Devido aos grandes diametros de tubos requeridos por esses sistemas, os tubos plásticos muitas veces não consiguem comparativa-mente suas capacidades estruturais ou económicas. 2.2 Unidades de apoio

Para segurar o correto funcionamento dos sistemas, muitas veces pre-cisa-se da utilização de maquinarias adicionais tais como:

a.Bombas de calor: As bombas de calor são maquinas formadas por um conjunto de aparelhos cuja finalidade é dirigir voluntariamente o sentido de transferencia do calor (de calor a frio, ou, de frio a calor).

b.Unidades recuperadoras de calor: São o “coração” das bombas de calor, apesar de tambem poder funcionar independentemente delas. Sua função é pasar parte do calor de um fluido (saliente) para outro fluido (entrante).

c.Unidades de control da humidade: São aparelhos encarregados de eliminar a condensação producida pelo cambio de temperatura do ar ao interior dos tubos.

d.Filtros e aberturas de inspeção: Nos sistemas tipo “open loop”, tanto aqueles terra-ar como terra-fluido, precisam de filtros especiais para impedir o paso de particulas ou objetos indesejados ao interior dos tubos. Alem dos filtros tambem precisam de câmaras e aberturas de inspeção que permitam realizar a limpeza dos tubos.

e.VMC “ventilação mecânica controlada” fluxo duplo: É um dis-positivo destinado a garantir a renovação do ar e que recupera a ener-gia (calor ou frio) extraída.

2.3 Comportamento

As principais variáveis que determinan o rendimiento dos sistemas são:

a.Profundidade: Uma maior profundidade de instalação dos tubos, maior é sua captação de temperatura (mais rápida).

b.Comprimento: Um maior comprimento segura uma maior captação de temperatura, mas a relação de eficiência diminui enquanto o com-primento do tubo aumenta.

c.Diâmetro: um maior diâmetro dos tubos gera uma maior superfície de captação de calor, mas tambem gera uma maior área onde o fluido não contacta a superficie. A determinação de esse valor está dada pelas carateristicas térmicas do solo. Na maior parte dos casos é mais eficien-te um tubo de diámetro pequeno.

2.4 Rendimento

O rendimento do sistema depende destas variaveis e da energia que precisa se incorporar para bombar o fluido. Nos sistemas ativos o valor do rendimento mide-se a traveis do COP (Coefficient of Performance), o qual é determinado por uma divisão da energia ganhada pelo trabalho realizado para obter-la, e se expressa em W/tempo.

Superior: Gráficos obtidos por académicos da “School of Environment and Techno-logy, University of Brighton, UK”, onde se mostra a relação de ganhanças de aqueci-mento e esfriamento (izquerda), e as eficienças obtidas em cada caso (direita). Esses datos foram tomados de uma simulação para o clima de Londres usando um sistema terra-ar (8).

Esquerda: Gráficos obtidos pelos mesmos académicos que mostram a relação da ganhancia térmica ao modificar as 3 variáveis antes senhaladas (3).

1.4 Qual é a diferença entre o sistema terra/ar e terra/água?

a. O sistema terra/ar permite o aquecimento/resfriamento e tam-bém a ventilação. Pode ser natural, utilizando o efeito Venturi ou a con-vecção, ou mecânico (ventilador). O sistema é dito aberto, o ar externo circula por um tubo dentro da terra, passa pelo edifício e é finalmente evacuado. Por isso, alguns equipamentos são exigidos como filtros, re-cuperador de condensações, desumidificador, etc.b. O sistema terra/água só permite o aquecimento/resfriamento. Um fluido geralmente não congelante passa por um circuito menos vo-luminoso e fechado. O sistema precisa de uma bomba para que o fluido circula e uma bomba de calor para a troca de calor para o edifício.

1.5 Como o ar se move?

Os princípios da física podem ser usados para melhorar o funcionamen-to natural do sistema terra/ar. -diferenças de pressões: o ar se move de uma área de alta pressão para uma área de baixa pressão. -o efeito Venturi: quando o ar é canalizado numa abertura estreita, a velocidade do fluxo aumenta. -efeito de convecção: o ar quente, mais leve, vai para cima e aspira o ar mais frio que está em baixo. Isso é chamado o “efeito chaminé”, ele aumenta com altura.

1.3 Quais são as condições para ser viável?

-Precisa de uma boa inercia e uma boa isolação dos edifícios para que seja eficiente. -O clima é um aspeto muito importante para o bom funcionamento do sistema. O mais a diferença de temperatura entre o externo e o solo será importante o mais o sistema será eficiente. Por exemplo, nas regiões tropicais a temperatura externa fica constante tudo o ano e a temperatura do solo não têm grande diferença. Os climas tempe-rados são os melhores mas durante picos de frio ou calor importante, o trocador de calor geotérmico vira insuficiente e exige um extra como aquecimento convencional o ar-condicionado. Podemos dizer que o sis-tema de troca de calor serva para o preaquecimento /preresfriamento. Além disso, para o sistema que usa ar, a taxa de umidade relativa do ar externo deve ser o mais baixo possível. -O tipo de solo influência a eficiência da troca de calor. O mais o solo será úmido, o mais a condutibilidade térmica será importante. Por exemplo, um solo argiloso é preferido à um solo arenoso. -A profundidade não é insignificante. Para os sistemas horizontais, tubos devem ser enterrados pelo menos 2,5m, aonde a temperatura fica constante todo o ano. Para os sistemas verticais, buracos de 70 a 100m de profundidade devem ser feito, O custo da instalação deste tipo de troca de calor geotérmica é muito alta. -No sistema terra/ar o volume e comprimento dos tubos é conside-rável, comparado ao sistema terra/água que não é muito voluminoso. A condutibilidade do ar é menos importante do que a água, é por isso que precisa tubos de diâmetro mais importante para ter a mesma quan-tidade de energia. O volume de ar passando pelos tubos será calculado em relação a quantidade de ar renovado necessitado pelo edifício e o número de pessoas. -O sistema de troca de calor aumenta a eficiência energética mas não necessariamente a sustentabilidade. Ele usa energias reno-váveis para a troca de calor mas também eletricidade para que funcio-na.

b.Um poço: Este sistema é o mesmo que do acima, com a única diferença que a água é devolvida a um acúmulo artificiais ou naturais de em vez de ser reinfiltrada em um poço.

3.3 Surface water heat exchangers (SWHE) Trocadores de calor de águas superficiais.

Tem o mesmo princípio dos sistemas de águas subterrâneas, com a diferença de trabalhar em “loops” fechados. Portanto, a transferência de calor da terra até o fluído final é sempre indireta (já que sempre vai ter um acúmulo de água entre eles). Estes sistemas têm a vantagem de poder ser criados artificialmente, como no caso da Expo Sevilha ‘92 . Podem ser de dois tipos:

a.Indiretos: Eles funcionam exatamente como os sistemas GFHE hori-zontais com a única diferença do que a transferência de calor produz-se através de uma acumulação de água. Por ser sistemas fechados não têm o problema de controle da qualidade da água dos sistemas GWHP.

b.Diretos: Trabalham como um sistema GWHE de um poço, com a úni-ca diferença de que a fonte em vez de ser um poço é um lago ou outro tipo de acumulo de água (que pode ser a sua vez naturais ou artificiais).

3.4 Ground to Air Heat Exchanger (GAHE) Trocador de calor subterrâneo para ar.

Estes são sistemas que trabalham “diretamente” porque a transferência de calor do solo para o ar ocorre sem um fluido intermediário, a dife-rença dos casos anteriores. Isto cria sistemas potencialmente passivos, com uma menor demanda de energia para trabalhar, mas por sua vez tais sistemas são sempre menos eficiente do que os sistemas com-binados terra-agua . Ainda assim há duas situações em que podem funcionar bem: áreas que requerem mais tempo de refrigeração que aquecimento do ambiente construído ; e áreas em que a variação da temperatura durante as diferentes estações do ano é particularmente elevada . Basicamente consistem em: uma entrada de ar; um tubo dimensionado de acordo com os requisitos do projeto, onde tem a mu-dança de temperatura do ar; e uma saída que precisa de uma bomba para gerar a circulação do fluído.

Estes sistemas podem ser independentemente de “circuito aberto” ou “circuito fechado”, a única diferença entre eles é a possibilidade de re-novação de ar e de funcionamento passivo dos sistemas abertos. Como nos casos anteriores, as variações são: sistema vertical, horizontal e slinky; sendo os mais comuns deles os sistemas horizontais.

Dentro desta classe encontram-se os sistemas tradicionais e vernácu-los, como os sistemas de “poço canadiano” e “poço provençal”. Estes sistemas têm a vantagem de trabalhar de forma totalmente passiva e pelo tanto autônoma, mais têm a desvantagem de que sua imple-mentação é comparativamente mais cara (tubos de maior diâmetro e comprimento), e de que são menos eficientes que os sistemas mistos.

Inverno

Verão

Planta

SISTEMAS

GENERALIDADES DO FUNCIONAMENTO

INTRODUÇÃO

2.1b

2.1a

2.2a

2.2e

5.4

3.1a

3.1c

3.1c

3.2a

2.42.3

2.1c

EXEMPLOS

COMPARAÇÃO E CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA

1.4b

1.4a1.31.1 1.5

imágens do U.S. DOE Clasificação dos sistemas ativos feita em base ao estudo de Rafferty, K 46

6

6

1

6

6

3

1

1

3

7