COMUNICAÇÃO

ENERGIA GEOTÉRMICA

aplicada aos

SISTEMAS ENERGÉTICOS DE EDIFÍCIOS

Luís Coelho,

Escola Superior de Tecnologia de Setúbal - Portugal

Seminário: O Sector da Energia Num Futuro Sustentável

29 de Outubro de 2007 – Caldas da Rainha , Portugal

OBJECTIVOS

• PROMOVER O CONHECIMENTO DE UMA FORMA DE

APROVEITAMENTO DE ENERGIA GEOTÉRMICA (RENOVÁVEL);

• DEMONSTRAR A UTILIZAÇÃO DE BOMBAS DE CALOR

GEOTÉRMICAS (GSHP – Ground Source Heat Pumps), EM

SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DE EDIFÍCIOS.

• FAZER UM ENQUADRAMENTO DAS OPORTUNIDADES DE

DESENVOLVIMENTO DAS APLICAÇÕES DE GSHP

BOMBAS DE CALOR

• BOMBAS DE CALOR: Aquecimento e Arrefecimento

Produção Eléctrica

REE=55%

Água quenteElect.

RES

Bomba de

Calor

(COPh=4)

Comb.

fósseis

CO2

Ar Ambiente

7.5

kW

2.5 kW10 kW4.55 kW

BOMBAS DE CALOR

• BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS: Aquecimento e Arrefecimento

Produção Eléctrica

REE=55%

Água quenteElect.

RES

Bomba de

Calor

(COPh=6)

Comb.

fósseis

CO2

Solo, Geotermia

8.3

3k

W

1.67 kW10 kW3.04 kW

• REDUÇÃO DO CONSUMO DE PES: 33%

• REDUÇÃO DE EMISSÃO DE CO2

GSHP

• BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS:

• É uma tecnologia fiável, e provada mas com forte potencial de desenvolvimento.

• Novos fluidos; novos equipamentos; associadas a outras renováveis (ex.

solar); etc.

• Reduz os custos de aquecimento e arrefecimento entre 25% a 75%;

• Reduz significativamente as emissões de CO2;

• Aumenta o valor do ciclo de vida do edifício;

• Promove o conforto nos edifícios (menor ruído, menor impacto visual);

• Protege o ambiente;

• Promove o desenvolvimento sustentável da utilização energética.

• VANTAGENS DAS GSHP (em termos de eficiência):

− Temperatura da água:

Cerca de 15 ºc - 17ºC;

Estável na maior parte do ano;

– Permite:

Eficiência no aquecimento ambiente,

Eficiência no arrefecimento ambiente,

Eficiência na preparação de AQS.

GSHP

• DESVANTAGEM:

Custos de instalação mais elevados

Furos geotérmicos: 45-50 euros/m

• BALANÇO FINANCEIRO:

Tempo de recuperação de investimento adicional a partir de 3

anos conforme os casos:

• Mais vantajoso em edifícios residenciais, hotéis, hospitais

e outros de fraca ocupação e utilização nocturna.

GSHP

• CONSTITUIÇÃO DE UM SISTEMA DE GSHP:

− Circuito primário de água:

Captação geotérmica: furos, captação horizontal;

Permutadores de calor enterrados (Ground Heat

Exchangers – GHE);

Bombas de circulação, tubagens, colectores,

equipamentos auxiliares.

−Produção de calor/frio pelas GSHP

– Circuito secundário de distribuição de água ou ar, (idêntico a

outras bombas de calor ou caldeiras):

Ventilo-convectores (2 ou 4 tubos); UTAs; Chão/Tecto

aquecido/arrefecido, condutas de ar.

GSHP

• CIRCUITO PRIMÁRIO:

− Circuitos abertos:

Furos para extracção e para injecção de água (10 – 50 m);

Água de minas ou túneis

– Circuitos fechados:

Permutadores enterrados, circuitos verticais (60 - 250 m);

Circuitos horizontais (1,2 – 1,5 m);

Troca de calor em águas de lagos, rios, mares (não geot.).

Verteiler im Haus

Pumpe

Grundwasser-

spiegel

Serienschaltung

Parallelschaltung

Rohre in Graben

Source:

GSHP

GSHP

•Permutadores de Calor Geotérmicos Verticais:

Duplo “U”

Single-U-pipe Double-U-pipe

25-32 mm

Simple coaxial Complex coaxial

Coaxial Simples Coaxial Complexo

Single-U-pipe Double-U-pipe25-32 mm

Simple coaxial Complex coaxial

Bentonite

+ cimento

Tubo de Separação

Acessórios

Tubos de Permutador

Peso de Fundo

Single-U-pipe Double-U-pipe25-32 mm

Simple coaxial Complex coaxialSimples “U”

PROJECTO GROUNDHIT

• DEMONSTRAÇÃO EM PORTUGAL:

• Duas Bombas de Calor Geotérmicas 2 x 15 kWaq (GSHP#1, COPaq: 5-6):

• Circuito primário:• Furos Geotérmicos: 5 x 80 m = 400 m • Permutadores: três “duplo-U”, dois coaxiais

• Empresa: Geominho

• Produção de energia útil: 2 x GSHP

• Circuito Secundário:• Sistema de AVAC: Ventilo-convectores a dois tubos:

• Duas salas de aulas;• Cinco gabinetes.• Equipamento CIAT (agradece-se à Efcis e CIAT)

(Possibilidade de comparação com sistema VRV da LG, agradece-se à LG Portugal e àAssistécnica)

PROJECTO GROUNDHIT

0.00

2.47

3.35

GS

HP

-B

GS

HP

-A

PROJECTO GROUNDHIT

PROJECTO GROUNDHIT

PROJECTO GROUNDHIT

PROJECTO GROUNDHIT

GSHP

• PRINCIPAL DESVANTAGEM:

• Custo adicional da instalação: furos geotérmicos

Drilling

cost

[€]

Price per

tube

[€]

Grouting

material

[€]

Antifreeze

fluid **

[ltr.]

Summary

[€]

Double-U-tube 3.750 677 237,5 216 4.881

4 x 32

Single-U-tube 4.000 426 309,4 167,2 4.903

2 x 40

Simple coaxial 3.750 439 240,6 181,2 4.611

63/32

Simple coaxial 3.750 478 240,6 170 4.639

63/40

Simple coaxial 4.100 617 262,5 252 5.232

75/40

Simple coaxial 4.100 680 262,5 228 5.271

75/50

Cost for Borehole Heat Exchangers each 100 m

Source: EWS

• PERMUTADORES ENTERRADOS:

• Estimativa do comprimento necessário.

• Depende do tipo de solo, da sua temperatura e do tipo de

permutador usado;

Courtesy: UBeG

GSHP

• PERMUTADORES ENTERRADOS:

• Estimativa do comprimento necessário (3 furos).

Courtesy: EGEC

3 furos

sem água subt.

3x74=222 m

222x50 = 11100 W

(11100 euros)

Setúbal

3 furos

com água subt.

3x65=195 m

195x58 = 11310 W

(9750 euros)

GSHP

• SISTEMA GSHP valores típicos em Setúbal:

•Permuta de calor nos furos:–75 W/m (Pot. aquec.) ou 58 W/m (Pot. efectiva)

–Exemplo: Pot. Aquecimento. 30 kW (400 m furos, (CPOaquec=4)

Pot. Arrefecimento: 22 kW + 7,3 kWcomp (CPOarrf=3) = 29,3 kW

Profund. Furos: 326 m (90W/m)(A diferença de temperaturas para o subsolo é maior no arrefecimento necessitando de

menor área, ex. 90 W/m: 300 m de furos); 400 m → 28 kWarref.

•Custos dos furos:–40-50 euros/m

–Total: 16000 – 20000 euros

GSHP

• SISTEMA GSHP valores típicos:

•Custo da instalação:–GSHP ligado em circuito aberto em furos de água: 600-1000 €/kWth

–GSHP ligado em circuito fechado a GHE : 1000-1500 €/kWth

•Custo de funcionamento:(electricidade e manutenção)

–0,015 – 0,028 € / kWhth

•Custo total de aquecimento/arrefecimento: (5% de depreciação por 20 anos de vida)

–0,038 – 0,048 € / kWhth

–Gasóleo: 0,065 €/kWhth Gás Natural : 0,058 €/kWhth

–Arrefecimento com bombas de calor a ar: 0,06 €/kWhth

GSHP

GSHP

•Quantity and installed capacity of GSHP in the countries of the European Union

(Fonte: DGTREN)

GSHP

AREA ENERGY.4.3: GEOTHERMAL ENERGY

Expected impact: the focus of the geothermal energy area will be on the following topics: i)

to improve the performance of specific ground source heat pumps (increased efficiency

and competitiveness); ii) to improve the reliability and ease of maintenance of the

underground heat exchanger.

Topic ENERGY.2007.4.3.1: Improved ground source heat pumps

Content/scope: Optimise the component level design including heat transfer fluids of

commercial ground source heat pumps. The aim is to increase the coefficient of

performance of the heat pump and of the overall system in order to reduce the electricity

consumption and extend its usage in Europe and particularly to the Mediterranean

regions where this technology has not gained ground in a significant manner. The increase

of efficiency will reduce operating costs and reduce pay-back time.

Funding scheme: Collaborative project with a predominant demonstration component.

Expected impact: Reduce total cost (investment, operation and maintenance costs) of

geothermal heat supply.

Other information:

Open in call: FP7-ENERGY-2007-2-TREN

GSHP

In the light of the information received during the public consultation and the impact

assessment, the Commission proposes in its Renewable Energy Roadmap21 a binding

target of increasing the level of renewable energy in the EU's overall mix from less

than 7% today to 20% by 2020. Targets beyond 2020 would be assessed in the light

of technological progress.

How do we get there?

…

In the heating and cooling sector, progress will have to come from a number of

technologies. Sweden, for example, has over 185 000 installed geothermal heat

pumps. Germany and Austrian have led the way on solar heating. If other Member

States matched these levels, the share of renewable energy in heating and cooling

would jump by 50%.

Source: COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE EUROPEAN COUNCIL AND THE

EUROPEAN PARLIAMENT “AN ENERGY POLICY FOR EUROPE”

Brussels, 10.01.2007, COM(2007) 1 final.

Regulamentos Certificação Energética

Habitação (Dec.Lei 80/2006)

Serviços (Dec.Lei 79/2006)

Energia

Necessidades nominais de energia:

Nic/Ni (kWh/m2.ano):

Nvc/Nv (kWh/m2.ano):

Nac/Na (kWh/m2.ano):

Ntc/Nt (kWh/m2.ano):

Tipo de Edifício:

Edifício/Fracção:

Localização: Zona Climática:

Área útil de pavimento: m2

Área útil de parqueamento: m2

Data de emissão do certificado:

Nº de Registo do Certificado:

Características construtivas:

Produção de águas quentes:

Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do

Ar Interior em Edifícios (SCE)

Emissões de CO2 (ton./ano):

Consumo energético nominal anual (kWh/m2.ano):

Edifícios Residenciais sem sistemas AVAC

C

D

E

F

G

Ma

is e

ficie

nte

Me

no

s e

ficie

nte

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

XXX

YYY

Classes de Eficiência Energética (kgep/m2.ano)

B-

B

A

A+

XXX

XXX

(Dec.Lei 78/2006)

SCE

As GSHP permitem aumentar a eficiência

energética dos edifícios

GSHP

PROJECTOS I&D

• PARTICIPAÇÃO DA ESTSetúbal EM PROJECTOS EUROPEUS I&D

sobre GSHP:

• GROUND-HIT project (Ground Coupled Heat Pumps Of High Technology):

• FP6 (http://www.groundhit.eu/)

• GROUND-REACH project (Meeting the Kyoto targets through large scale

introduction of ground source heat pumps (GSHP) in the built environment):

• IEE (http://groundreach.fiz-karlsruhe.de/)

• IGEA project (Integration Of Geothermal Energy Into Industrial

Application):

• IEE (website em construção)

GSHP

• CONCLUSÕES:

• A utilização de bombas de calor geotérmicas é uma alternativa

viável na climatização de edifícios permitindo a redução do

consumo de energia, das emissões de CO2 e dos custos de

exploração dos edifícios;

• Existe um quadro de oportunidades para a sua implementação

em Portugal;

• Com o desenvolvimento tecnológico e de mercado as GSHP

estão a tornar-se cada vez mais competitivas;

• Existe no entanto a necessidade de se efectuarem estudos

adequados de implementação para aproveitar o seu potencial de

forma eficaz.

GSHP

MUITO OBRIGADO

THANK YOU

The

rma

l

PV

Passive