SISTEMAS TROCADORES DE CALOR GEOTRMICOAUT221ARQUITETURA, AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO SUSTENTAVELFAU USP | 2do SEMESTRE 2011 PROF: DENISE DUARTE | ALUNOS: SALOM KOBRA, JUAN P. FERNNDEZ G.

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

Estes sistemas funcionam mediante um fludo intermedirio que retorna o calor por meio de uma unidade trocadora agua-ar, o por meio de lajes radiantes. So circuitos fechados: o fludo ativo sempre o mesmo, e no contemplam uma renovao dele.

a.Vertical: Os tubos descem e sobem numa linha reta de perfurao at uma profundidade de 30 a 120m, afastados uns dos outros de 6m... O tamanho dos tubos e o nmero destes, depende do tamanho e tipo de projeto, e a quantidade e profundidade dos poos determinada de acordo com o tipo de solo. Este o sistema mais eficiente dos deste tipo porque seu objetivo alcanar as profundezas onde no existe mudana de temperatura durante o ano , no entanto, tambm o mais caro devido ao equipamento de perfurao e do alto nvel tcnico exigido para instalao .

b.Horizontal: Consiste de uma srie de tubos dimensionados de acor-do com o projeto em execuo, os quais recorrem um campo a uma profundidade que varia geralmente entre 1,5 e 4m , com uma distncia entre eles determinada pelo tipo de solo. So os mais comuns dentro dos sistemas terra-agua, e por sua vez, os que tem a implementao comparativamente mais econmica , mas no alcanam os nveis de eficincia das instalaes verticais e exigem uma grande rea de super-fcie disponvel para a instalao dos tubos.

c.Slinky(Mola): um sistema patenteado que, basicamente, permite a instalao de sistemas horizontais em reas mais reduzidas, isso 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 guas subterrneas.

Estes sistemas, de operao tipo open loop, trabalham diretamente com gua de fontes subterrneas, a qual incorporada a instalao interna do recinto e depois descartada. Estes sistemas so mais econ-micos a implementar do que sistemas GFHE, mas por sua vez exigem mais manuteno e condies mais especficas (qualidade da gua, fil-tros, etc ..). Outra vantagem destes sistemas que a gua, sendo um lquido que constantemente renova-se, no sofre os efeitos da sobreso-licitao trmica que podem ter os sistemas terra-ar. Existem dois tipos de sistemas GWHE:

a.Dois poos: Basicamente, consiste em um poo de extrao de guas subterrneas j temperada pelos efeitos do subsolo, e um se-gundo poo de injeo das guas que j passaram pelo sistema interno do ambiente construdo.

Aeroporto de Zurique, terminal EArquiteto: GrimshawLocalizao: Zurique, SuiaArea: 58 000 m2Volume: 200 000 m3Ano: 2006

Descrio do projeto:

E o novo terminal do Aeroporto de Zurique ara 26 avies tem um com-primento de 500 metros e uma largura de 30 metros para 4 andares. Desde que foi construdo numa zona fretica, teve que ser usado 440 estacas numa profundidade de 30 metros para as fundaes. Os pilhas tm 90-150 cm de dimetro.

Caraterstica geotrmica:

310 destas pilhas so usadas como pilhas trocadores de energia. Em cada estaca passa um tubo em forma de U com um fludo para a trans-ferncia de calor.No vero, 470 MWh de frio so atrados do solo para resfriar o terminal a temperatura de 21C (free cooling sem o uso de bomba de calor).No inverno, o calor do solo 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 clculos de simulao para o estudo detalhado do projeto.

Glass bottling Plant CristalchileArquiteto: Guillermo HeviaLocalizao: Llay-Llay, ChileArea: 27 000 m2Ano: 2006Materiais de construo: ao, vidro e concreto

Descrio do projeto:

A nova fbrica de Cristalchile em Llay-Llay incorpora o uso de tecnolo-gias bioclimtica (geotrmica, eoltico, iluminao e acstica) para os edifcios, bem como para processos de produo, com um compromisso real com manutenibilidade, economia de energia, qualidade de vida e meio ambiente. importante destacar que uma indstria com pro-cessos de produo, mas o mais importante de tudo, com pessoas que trabalham.Esta fbrica de engarrafamento de vidro possui ventilao passiva e uma estratgia de uso de luz natural que reduz o consumo energtico do edifcio.

Caraterstica geotrmica:

O uso de ventilao natural (Venturi) fazendo uso dos ventos existentes e ventilao do telhado; o ar quente da rea de produo retirado e a temperatura dissipada atravs de buracos nas fachadas de vidro (a temperatura interna sempre superior do que a externa). Atravs geotrmica, ar, a uma constante de 20 C, incorporado em reas de trabalho. O ar naturalmente tratado em tubulaes subterrneas (3 m de profundidade), utilizando apenas 7 ventiladores mecnicos.

Tcnico:-Para 1kWh de eletricidade consumido a bomba de calor restitua 2 7 kWh de calor.-A bomba de calor um sistema que reversvel, ento d a possibi-lidade de aquecer e resfriar quando necessrio.-Existe um grande nmero de sistemas: por exemplo os horizontais so fceis de instalar; os verticais no precisam de uma grande super-fcie no terreno.-O sistema resistente ao longo do tempo, at 40 anos

5.3 Desvantagens:

Ecologia:-As foragens no solo podem ser um risco ecolgico-Os fludos refrigerante utilizados so nocivos para o meio ambiente-No se pode plantar uma rvore proximidade

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

Tcnico:-Os tubos podem sofrer de dilatao ao longo do tempo.-A terra pode virar seca e reduzir o desempenho.-Para a instalao, tem que se fazer um estudo preliminar importante do terreno e do edifcio que requeira especialistas qualificados.-Para a renovao complicado para instalar, a combinao 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 condies climticas do sitio, e tambm, sua intalao depende das condies do solo.

5.4 Comparao de sistemas

Os sistemas terra/ar e gua/ar so os mais comuns:

Sistema terra-ar (passivo): climatizao e ventilaoVantagens:

-econmico: reduz consumao eletrica-ecolgico: no usa fluido refrigerante e bomba de trocador de calor-execuo: COP atinge 10-20-manuteno: limitada-investimento: recuperado a longo termo-custo energtico: baixo: s usa ventilador-integrao possvel: com outros sistemas de climatisao-associao com mqina frigorfica quando tiver ponta de calor-melhora a qualidade do ar-melhora o conforto trmico

Sistema terra-gua (ativo): ClimatizaoVantagens:

-mais econmico: compra e montagem-mais facil para montagem-tubo mais pequeno: diametro = 32mm (em vez de 200mm)-sistema higinico: no tem condensaes, bacterias e mau cheiro-no tem terminal de entrada de ar-no tem risco de infiltrao externa

5.1 Concluso

O sistema de troca de calor geotrmico j era usado na antiguidade mas foi usado de novo desde da dcada dos anos 50. Este sistema uma maneira sustentvel de aquecer ou resfriar o ambiente de um jeito passivo. Ele usa energias renovveis mas tambm um pouco de eletricidade para funcionar. Por isso no totalmente ecolgico, mas a quantidade de eletricidade usada muito fraca comparada energia fornecida. um bom meio para aumentar a eficincia energtica. Mas o trocador de calor geotrmico no um fim em sim. Ele faz parte de um grande nmero de meios para aumentar a eficincia energtica dos edifcios com menor impacto no ambiente.

Durante a concepo de um edifcio, muitos factores vo ser tomados em conta e um conjunto de solues (arquiteturais, solares, geotrmi-cas, ) vo responder s exigncias de sustentabilidade.

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

5.2 Vantagens:

Ecologia:-Aumenta a eficincia energtica com impacto menor no ambiente.-No produz lixo ou CO2.-A energia geotrmica ilimitada.

Economia:-Alguns estados do ajuda financeira para a aquisio destes produtos.-O sector da geotermia criadora de empregos nas reas de pesquisa geolgica, engenharia civil, trmica, eltrica, gesto de projetos e des-envolvimento de negcios.-A geotermia faz parte das energias renovveis mais rentveis: o con-sumo de eletricidade desce de 25 75 % comparado aos aparelhos clssicos.

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

Descrio do projeto:

O Centro de guas Urbanas foi idealizado pela cidade de Tacoma a ser um farol na gua e um exemplo do uso de construo e estratgias de local sustentvel para todos os futuros projetos na cidade.O programa de construo composto de laboratrios, escritrios, salas de conferncias, uma sala de almoo, um centro de exposies, um centro de atendimento ao cliente na entrada do lobby, e servios de construo relacionados.O edifcio foi concebido para alcanar a certificao LEED Platinum, e algumas das estratgias de sustentabilidade incluem ventilao na-tural dos ambientes de escritrio, sombreamento das fachadas sul e oeste, telhados com vegetao, coleta de guas pluviais e reso de gua. Materiais selecionados para o interior do edifcio e exterior fo-ram selecionadas com base na quantidade de material reciclado, onde o produto foi fabricado, a quantidade de VOCs (compostos orgnicos volteis) no produto, e se o produto foi certificado (como no caso de produtos de madeira).

Caraterstica geotrmica:

Refrigerao de ventilao natural e uma bomba de calor terra-fonte que transfiram as lajes de piso radiante reduzam a energia necessria para aquecimento e arrefecimento.Utilizando um campo de 72 poos trocadores de calor subterrnea para gua, um sistema de bombas de calor que serve lajes de piso radiante proporciona aquecimento e refrigerao para todo o edifcio.

Publicaes: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 climatizacin de construc-ciones, pozos provenzales y tcnicas 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, VELZQUEZ. Control climti-co en espacios abiertos: Evaluacin del proyecto expo 92. Editorial CIEMAT. Sevilla. 1994.

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1.1 O que a geotermia ?

E a cincia que se ocupa do estudo do calor proveniente da interior da terra. A temperatura/energia do solo um recurso renvavel que pode ser utilisado para climatisao (aquecimento e resfriamento) e a produo de eletricidade. Em esse estudo se aprofundar em suas aplicaes na rea da arquitetura; as quais so principalmente de baixa profundidade.

1.2 O que um trocador de calor geotrmico ?

Um trocador de calor geotrmico um sistema que permite a clima-tizao natural das edificaes. Esse mtodo permite o esfriamento durante o vero e/ou o aquecimento durante o inverno de ambientes construidos.

Baseia-se no facto de haver uma diferena de temperatura entre:-o subsolo, onde a temperatura pouco varivel, e que fica igual a tem-peratura mdia anual externa.-a superfcie, onde a temperatura varivel.

Portanto, a capacidade de aquecimento e esfriamento do sistema es-tar determinada pela variabilidade trmica da localizao. A maior di-ferena de temperatura entre a meia e as mximas garante uma maior eficincia do sistema.A troca de calor do solo (terra, guas subterrneas, guas superficiais) feita atravs de ar, gua ou outros tipos de fluidos como a gua glico-lada (gua 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 caratersticas do solo ou tipo de fluido que vo a transportar. Asim, os principais tipos de tubos utilizados so:

a.Tubos de plstico: So utilizados principalmente nos sistemas que usam gua como fluido, e em instalaes de tipo terra-aire de peque-na dimenso. Segum os requerimentos podem incorporar propiedades fungicidas, germicidas ou similareis.

b.Tubos de concreto / piedra: So utilizados s em sistemas terra-ar, tem a qualidade de no sobrecarregar a capacidade trmica do solo debido inrcia trmica do tubo mesmo. Podem incrementar a susten-tabilidade do projeto ao poder ser construidos locamente.

c.Tubos metlicos: So utilizados em sistemas terra-ar de grande tamanho. Devido aos grandes diametros de tubos requeridos por esses sistemas, os tubos plsticos muitas veces no consiguem comparativa-mente suas capacidades estruturais ou econmicas. 2.2 Unidades de apoio

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

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

b.Unidades recuperadoras de calor: So o corao das bombas de calor, apesar de tambem poder funcionar independentemente delas. Sua funo pasar parte do calor de um fluido (saliente) para outro fluido (entrante).

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

d.Filtros e aberturas de inspeo: 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 cmaras e aberturas de inspeo que permitam realizar a limpeza dos tubos.

e.VMC ventilao mecnica controlada fluxo duplo: um dis-positivo destinado a garantir a renovao do ar e que recupera a ener-gia (calor ou frio) extrada.

2.3 Comportamento

As principais variveis que determinan o rendimiento dos sistemas so:

a.Profundidade: Uma maior profundidade de instalao dos tubos, maior sua captao de temperatura (mais rpida).

b.Comprimento: Um maior comprimento segura uma maior captao de temperatura, mas a relao de eficincia diminui enquanto o com-primento do tubo aumenta.

c.Dimetro: um maior dimetro dos tubos gera uma maior superfcie de captao de calor, mas tambem gera uma maior rea onde o fluido no contacta a superficie. A determinao de esse valor est dada pelas carateristicas trmicas do solo. Na maior parte dos casos mais eficien-te um tubo de dimetro 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 determinado por uma diviso da energia ganhada pelo trabalho realizado para obter-la, e se expressa em W/tempo.

Superior: Grficos obtidos por acadmicos da School of Environment and Techno-logy, University of Brighton, UK, onde se mostra a relao de ganhanas de aqueci-mento e esfriamento (izquerda), e as eficienas obtidas em cada caso (direita). Esses datos foram tomados de uma simulao para o clima de Londres usando um sistema terra-ar (8).

Esquerda: Grficos obtidos pelos mesmos acadmicos que mostram a relao da ganhancia trmica ao modificar as 3 variveis antes senhaladas (3).

1.4 Qual a diferena entre o sistema terra/ar e terra/gua?

a. O sistema terra/ar permite o aquecimento/resfriamento e tam-bm a ventilao. Pode ser natural, utilizando o efeito Venturi ou a con-veco, ou mecnico (ventilador). O sistema dito aberto, o ar externo circula por um tubo dentro da terra, passa pelo edifcio e finalmente evacuado. Por isso, alguns equipamentos so exigidos como filtros, re-cuperador de condensaes, desumidificador, etc.b. O sistema terra/gua s permite o aquecimento/resfriamento. Um fluido geralmente no 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 edifcio.

1.5 Como o ar se move?

Os princpios da fsica podem ser usados para melhorar o funcionamen-to natural do sistema terra/ar. -diferenas de presses: o ar se move de uma rea de alta presso para uma rea de baixa presso. -o efeito Venturi: quando o ar canalizado numa abertura estreita, a velocidade do fluxo aumenta. -efeito de conveco: o ar quente, mais leve, vai para cima e aspira o ar mais frio que est em baixo. Isso chamado o efeito chamin, ele aumenta com altura.

1.3 Quais so as condies para ser vivel?

-Precisa de uma boa inercia e uma boa isolao dos edifcios para que seja eficiente. -O clima um aspeto muito importante para o bom funcionamento do sistema. O mais a diferena de temperatura entre o externo e o solo ser importante o mais o sistema ser eficiente. Por exemplo, nas regies tropicais a temperatura externa fica constante tudo o ano e a temperatura do solo no tm grande diferena. Os climas tempe-rados so os melhores mas durante picos de frio ou calor importante, o trocador de calor geotrmico 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. Alm disso, para o sistema que usa ar, a taxa de umidade relativa do ar externo deve ser o mais baixo possvel. -O tipo de solo influncia a eficincia da troca de calor. O mais o solo ser mido, o mais a condutibilidade trmica ser importante. Por exemplo, um solo argiloso preferido um solo arenoso. -A profundidade no 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 instalao deste tipo de troca de calor geotrmica muito alta. -No sistema terra/ar o volume e comprimento dos tubos conside-rvel, comparado ao sistema terra/gua que no muito voluminoso. A condutibilidade do ar menos importante do que a gua, por isso que precisa tubos de dimetro mais importante para ter a mesma quan-tidade de energia. O volume de ar passando pelos tubos ser calculado em relao a quantidade de ar renovado necessitado pelo edifcio e o nmero de pessoas. -O sistema de troca de calor aumenta a eficincia energtica mas no necessariamente a sustentabilidade. Ele usa energias reno-vveis para a troca de calor mas tambm eletricidade para que funcio-na.

b.Um poo: Este sistema o mesmo que do acima, com a nica diferena que a gua devolvida a um acmulo artificiais ou naturais de em vez de ser reinfiltrada em um poo.

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

Tem o mesmo princpio dos sistemas de guas subterrneas, com a diferena de trabalhar em loops fechados. Portanto, a transferncia de calor da terra at o fludo final sempre indireta (j que sempre vai ter um acmulo de gua entre eles). Estes sistemas tm 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 nica diferena do que a transferncia de calor produz-se atravs de uma acumulao de gua. Por ser sistemas fechados no tm o problema de controle da qualidade da gua dos sistemas GWHP.

b.Diretos: Trabalham como um sistema GWHE de um poo, com a ni-ca diferena de que a fonte em vez de ser um poo um lago ou outro tipo de acumulo de gua (que pode ser a sua vez naturais ou artificiais).

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

Estes so sistemas que trabalham diretamente porque a transferncia de calor do solo para o ar ocorre sem um fluido intermedirio, a dife-rena dos casos anteriores. Isto cria sistemas potencialmente passivos, com uma menor demanda de energia para trabalhar, mas por sua vez tais sistemas so sempre menos eficiente do que os sistemas com-binados terra-agua . Ainda assim h duas situaes em que podem funcionar bem: reas que requerem mais tempo de refrigerao que aquecimento do ambiente construdo ; e reas em que a variao da temperatura durante as diferentes estaes do ano particularmente elevada . Basicamente consistem em: uma entrada de ar; um tubo dimensionado de acordo com os requisitos do projeto, onde tem a mu-dana de temperatura do ar; e uma sada que precisa de uma bomba para gerar a circulao do fludo.

Estes sistemas podem ser independentemente de circuito aberto ou circuito fechado, a nica diferena entre eles a possibilidade de re-novao de ar e de funcionamento passivo dos sistemas abertos. Como nos casos anteriores, as variaes so: sistema vertical, horizontal e slinky; sendo os mais comuns deles os sistemas horizontais.

Dentro desta classe encontram-se os sistemas tradicionais e verncu-los, como os sistemas de poo canadiano e poo provenal. Estes sistemas tm a vantagem de trabalhar de forma totalmente passiva e pelo tanto autnoma, mais tm a desvantagem de que sua imple-mentao comparativamente mais cara (tubos de maior dimetro e comprimento), e de que so menos eficientes que os sistemas mistos.

Inverno

Vero

Planta

SISTEMAS

GENERALIDADES DO FUNCIONAMENTO

INTRODUO

2.1b

2.1a

2.2a

2.2e

5.4

3.1a

3.1c

3.1c

3.2a

2.42.3

2.1c

EXEMPLOS

COMPARAO E CONCLUSO BIBLIOGRAFIA

1.4b

1.4a1.31.1 1.5

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

6

6

1

6

6

3

1

1

3

7