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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 [email protected]
11 3125 2535 / 11 99854 1331