Luciano de Almeida Marcato

Ger. Produtos Daikin Applied

Sistemas Geotérmicos de AVAC

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

1. Energias Renováveis em Foco

1. Energias Renováveis em Foco

1. Energias Renováveis em Foco

1. Energias Renováveis em Foco

2. Energia Geotérmica

1. Energias Renováveis em Foco

Uso direto e indireto

Energia Geotérmica

Energia Geotérmica – Uso indireto

Energia Geotérmica : uso direto - AVAC

12 12

Energia Geotérmica do Sol

12

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

O subsolo da Terra é um reservatório de até 46% da energia solar Ea

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

Energia Geotérmica

Energia Geotérmica

Energia Geotérmica – Uso Direto

Temperaturas de água subterrânea

*

Temperaturas de água subterrânea

*

BTR = Banho ,

Recreação e Turismo

PIS = Potencial de

Aquecimento e de uso

Industrial

TDB = Terapêuticas ,

Banho e Bebidas

Potencial de Uso de Energia Geotérmica

*

3. Fundamentos Bomba Calor

21

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

construção

O que são Sistemas de aquecimento e

resfriamento geotérmicos?

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.

24

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

25 25

Componentes WSHP

25

Compressor

Moto-Ventilador

Serpentina

Filtros

Condensador

Válvula Reversora

Caixa de Força

Controle DDC

Como a unidade WSHP funciona

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

Modo resfriamento

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

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

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

10°C

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

Sistema AVAC convencional Gás/Elétrico

14.6 kWhThermal

1.6 kWhThermal

Power

Plant

Gas 13.1 kWhThermal 11.8 kWhThermal

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

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 kWhT da fonte primaria de energia para

fornecer 10 kWhT para o edifício pois tem boa

eficiência ( COP de 3.7 )

Perdas de Geração & Transmissão

Fonte carga

Modo

Aquecer

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 ?

Determine qual Loop geotérmico é a melhor opção

35

Opções

( conexão com subsolo )

Loop Fechado

de Lagos/Águas

de Superfície Loop Vertical fechado Loop Horizontal Fechado

Loop Geotérmico Fechado

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

37

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

LOOP HORIZONTAL

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

Loop Horizontal Fechado

SAÍDAS CIRCUITOS

Loop Horizontal Típico

40

Software de projeto Loop geotérmico

Loop Helicoidal

Para produzir 1 TR de capacidade Valas com aproximadamente 35~40 m

Comprimento total ida e volta de 200~220 m

41

10 TRs = 10 valas de 1 TR

Valas de 38m com aprox. 183 m

de tubo de ¾”

140 m2 por TR

Loop Helicoidal

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

( 1 acre aprox. 4050 m2 )

Verão - Resfriamento Evaporativo - Inverno = Calor vem do subsolo

Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície

44 44

1. Energias Renováveis em Foco

45 45

Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície

Loop Fechado de Lagos/Águas de Superfície

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

retorno paralelo reverso

48

One Pair Two Pair Series/Parallel One Pair

Avg

De

pth

Avg

De

pth

Avg

De

pth

When Loops are

shallower 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

Loop Verticais Fechados

49 49

Poços

Diâmetro de 4”, 5” e 6”

U-bends ¾”, 1” or 1¼”

argamassa

Loop Vertical Fechado

50 50

1. Energias Renováveis em Foco

U-Bend

Exemplo de instalação geotérmica

Melhor opção para espaço

limitado

Requer aprox. 24 m2 de

área de superfície por TR

AA

• 3 circuitos

• 8 poços/circuito

Loop Vertical Fechado

53 53

1. Energias Renováveis em Foco

53

Conexões

típicas

Antes

Depois

Exemplo de instalação geotérmica

Escola Elementar

Exemplo de Sala Técnica

56 56

1. Energias Renováveis em Foco

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

Caixa Típica- Poço do Coletor

58

Casa de Máquinas

Bombas

Hidrônicas

Geotérmicas

Primária e

Reserva

59 59 59

Campo de Loop

Teste de

Pressão

Tubulação PEAD

Caixa de

Coletor

Exemplo de instalação geotérmica

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

Com juntas de termo fusão

61

• 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

Métodos de União de Tubulação

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

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 ?

Aquecimento: Quanto calor estamos absorvendo do solo ?

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

Propriedade do Solo

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

Trocador de Calor no poço (grouted)

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

Top 3

67

Layout do Loop / Tubulações

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

69 69

Projeto do Coletor Principal

Considerações projeto

Dreno de Ar e Sujeira

Baica Perda de Carga

Fluxo Turbulento

Cálculo do Sistema de Bombas

Somar todas

Perdas de

Carga e

selecionar

Bombas

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

Bombeamento Distribuído

Engineered Systems

Maio 2012

Artigo mostrando

alguns benefícios do

sistema de

bombeamento

distribuído

Esquema Típico Geotérmico

Indoor piping with units

Bombas Primárias funcionam

24/7 e consomem muita energia

Bombas Secundário com VFD

Reference: Geothermal Heat Pump Systems, GeoExchange Technology, Curtis J. Klaassen, P.E.

Iowa Energy Center, Energy Resource Station

Bombeamento Distribuído - Economia

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

Loop de Bombas Instaladas em fábrica

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

dimensionado para este tipo de bombeamento

Sistemas Geotérmico Híbridos

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

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

ligeiramente maiores .

80

ASHRAE Journal

September 2006 Michael A. Bernier, Ph.D.

81

Springhill Suites – Pensacola, FL

82

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

Sistema Híbrido com VRV na China

83

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

Sistema Híbrido com VRV na China

84

Tendências e Novidades Daikin

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

easy installation

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

• 3.9 COP in heating at full load

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

EE

R

-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

EER

-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

EE

R

Ho

urs

of O

pe

ratio

n

EE

R

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

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

carga de no max 4,0 mCA.

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

sistemas com lógica de controle de torre

Fontes de Informação Adicional

91

Questões

????

Luciano de Almeida Marcato

Ger. Produtos Daikin Applied Luciano.marcato@daikin-mcquay.com.br

11 3125 2535 / 11 99854 1331