Bomba de Calor : Uma via para a Europa 20-20-20
Ernesto F. Peixeiro Ramos, Eng.º Mecânico, Consultor de AVC&R
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A bomba de calor, por compressão de um vapor, é um sistema que realiza um ciclo termodinâmico entre duas fontes de energia, uma a baixa temperatura - fonte fria - e a outra a mais alta temperatura - fonte quente - transferindo o calor da fonte fria para a fonte quente graças ao fornecimento de uma certa quantidade de trabalho. Os seus elementos principais são quatro: evaporador, compressor, condensador e elemento de expansão. De uma forma simplificada, pode-se dizer que as bombas de calor transferem a energia do exterior presente no ar, no solo ou na água, a uma temperatura mais baixa, para o ar ambiente no interior dos espaços, a uma temperatura de conforto mais elevada - no caso do Inverno - ou transferem a energia do interior dos espaços para os elementos exteriores focados, no caso do Verão.

Não há dúvida que a bomba de calor é uma tecnologia que gera energia renovável - disponibiliza mais energia que a energia utilizada no seu funcionamento - com origem em fontes de energia primárias esgotáveis, nomeadamente os combustíveis fósseis.

Por isso a bomba de calor pode ser um importante meio para alcançar o objectivo europeu de realização dos três vintes em 2020, i.e., a redução de 20% nas emissões dos gases com efeito de estufa, a contribuição de 20% das energias renováveis no share do consumo final e o aumento de 20% na eficiência energética. No caso português, o objectivo para as energias renováveis aponta para os 31%, pois actualmente já ultrapassámos os 20%.

Mas qual dos tipos existentes no mercado, ar/ar, ar/água, água/ar, água/água, sol/ar, sol/água, terreno/água, está melhor colocado para satisfazer tal objectivo? Vamos debruçar-nos nos sistemas por compressão mecânica nos quais os compressores são actuados por motores eléctricos. Não vamos ter em conta os sistemas por absorção, maioritariamente utilizados nos processos industriais e na cogeração, nem os sistemas por compressão mecânica nos quais os compressores podem ser actuados, quer por motores de combustão interna, quer por turbomáquinas de vapor ou de gás.

Logo à primeira vista saltam as diferenças de temperaturas das respectivas fontes de calor, uma vez que, no interior, o problema é igual para todos os tipos.

No caso da utilização do ar como fonte de energia, quando mais necessitamos de calor é quando a sua temperatura é mais baixa. Os equipamentos, que usam o ar como fonte de energia, estão sujeitos a temperaturas de evaporação variáveis ao longo do dia e da estação de aquecimento - temperaturas entre -20ºC e +10ºC.

Já os que utilizam a água subterrânea como fonte de energia, trabalham com temperaturas de evaporação praticamente constantes - temperaturas entre +5ºC e +10ºC.

No caso da utilização de aproveitamento solar térmico, como fonte de calor, podem ser obtidas condições de funcionamento da mesma ordem das conseguidas com recurso ao aproveitamento geotérmico ou aos cursos de água.

No caso das bombas de calor que utilizam o ar como fonte energética a sua capacidade calorífica e o seu coeficiente de desempenho, COP, (Coefficient of Performance), quociente entre a potência calorífica fornecida pela unidade e a potência eléctrica consumida, diminui com a temperatura do ar exterior, i.e., o seu COP varia ao longo da estação de aquecimento. Assim o que nos interessa reter não é o COP, para uma determinada condição de temperatura exterior, mas sim um COP para o período do aquecimento, SCOP, (Seasonal Coefficient Of Performance), o qual represente o quociente, agora, entre a energia fornecida pela unidade, durante todo o período de aquecimento e a energia eléctrica consumida durante o mesmo período.

Diferente é o que se passa nas bombas de calor com aproveitamento geotérmico em que a fonte energética - solo, lago, albufeira, rio, aquíferos - se mantém estável ao longo do ano e com a vantagem de que a sua temperatura, relativamente à temperatura do ar exterior, tem um valor, superior no Inverno e Inferior no Verão, tal como nos interessa.

A decisão da Comissão Europeia 2007/742/CE, de 9 de Novembro de 2007 estabelece os critérios ecológicos para a atribuição do rótulo ecológico comunitário às bombas de calor eléctricas, a gás ou de absorção a gás. Neste documento, para além dos conceitos atrás mencionados são definidos o EER, (Energy Efficient Ratio) e o SEER, (Seasonal Energy Efficient Ratio) bem como um factor relacionado com a energia primária, PER (Primary Energy Ratio). No caso do EER e do SEER as definições resultam semelhantes às feitas para o COP e SCOP substituindo as palavras, respectivamente, calorífica e aquecimento por frigorífica e arrefecimento. O PER obtém-se multiplicando o COP por 0,4 no caso do accionamento eléctrico e por 0,91 no caso do accionamento com motores a gás. Os valores 0,4 e 0,91 representam, respectivamente, as eficiências médias de produção europeia, de energia eléctrica incluindo as perdas na rede, e de gás incluindo as perdas na distribuição. Para o cálculo destes valores, os fabricantes devem disponibilizar programas, instrumentos e recomendações para que os cálculos necessários sejam efectuados. Os dados climáticos a utilizar devem corresponder à localização geográfica da instalação e no nosso caso são os que constam no Solterm.

As bombas de calor com aproveitamento geotérmico de baixa entalpia são ainda pouco utilizadas no nosso país por isso interessa-nos desenvolver um pouco mais este tema. Estas unidades são equipamentos água/água como as utilizadas nos sistemas centralizados de água arrefecida com torre de arrefecimento. Para a sua integração na climatização dos edifícios é necessário ter em conta que os valores de produção térmica devem estar o mais perto possível da temperatura desejada para o ar interior, pelo que as superfícies de permuta devem ser grandes, daí que as opções, na escolha das unidades terminais, apontem para a utilização de superfícies radiantes e ventiloconvectores, ou unidades de tratamento de ar. Para a captação de energia geotérmica podem ser utilizados serpentinas, quer sejam dispostas na horizontal, quer sejam dispostas na vertical, enterradas ou em contacto com grandes massas de água ou ainda recorrendo aos aquíferos. No caso de serpentinas enterradas e dispostas na horizontal estão mais sujeitas às flutuações da temperatura do ar exterior, sendo por isso utilizadas em aplicações de baixa potência. As serpentinas verticais fazem-se com furos que vão até aos 150 metros e distanciados entre si, pelo que não estão sujeitas às variações da temperatura do ar exterior.

 

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Sabemos que urge diversificar ao máximo as fontes de energia, e que nesse sentido devem ser tidas em conta todas as tecnologias disponíveis, emergentes e aplicáveis. A geotermia de baixa temperatura é uma destas tecnologias, sendo actualmente assunto de interesse em praticamente todos os eventos ligados à climatização dos edifícios. Na Espanha, a  Comunidad de Madrid organiza no início deste mês o 2º Congresso sobre Geotermia, depois do sucesso do primeiro realizado em 2008. Por cá, sabemos que as obras de remodelação das escolas inserem muito timidamente algum aproveitamento geotérmico.

No sentido de contribuir para a divulgação e consciencialização sobre a geotermia de baixa entalpia, resolvemos dar uma espreitadela nas publicações de 2009 do Ashrae Journal - publicação mensal distribuída pelos mais de cinquenta mil membros da Associação Americana dos engenheiros de AVAC&R, espalhados por todo o mundo. Descobrimos cinco artigos com interesse. O primeiro é o único que aborda o aproveitamento geotérmico em circuito aberto. Dois deles são exemplos de utilização, ambos do Québec, Canadá: um Complexo Desportivo com um ringue de gelo e um centro de investigação de sementes alimentares. Os outros dois artigos têm de comum o apelo à simplicidade, um dos quais termina com a máxima de Einstein " Everything should be as simple as possible, but not simpler".

Aproveitamento geotérmico em circuito aberto

Logo na revista de Março, Kevin D. Rafferty, engenheiro consultor ligado à geotermia, aborda os sistemas de aproveitamento em circuito aberto, do ponto de vista dos cuidados a ter para que estes sistemas possam ser eficientes e necessitem de pouca manutenção. Nesse sentido, salienta que é fundamental a determinação do caudal óptimo, o manuseamento da água subterrânea e a escolha dos locais de produção/injecção, isto sem esquecer a execução dos furos, a qual deve ser entregue a especialistas.

O caudal óptimo situa-se normalmente para diferenças de temperatura da ordem dos 7ºC a 9ºC e deve ser determinado pelo compromisso entre as cargas térmicas do edifício e as necessidades de potência de bombagem.

No manuseamento da água, há que ter em conta as disposições legais, os testes de caudal, a sua composição química, os sólidos suspensos, isolamento do circuito da água subterrânea do circuito do edifício, pressurização do circuito, e estratégia de retorno da água ao aquífero.

A localização de furos, de produção e injecção, deve ter em atenção os acessos, as infra-estruturas existentes, a distância de separação e a inclinação do terreno. Quanto mais afastados estiverem, menor é o potencial de interferência entre eles.

Centro de Investigação

No número de Agosto, destaca-se o exemplo do Centro de Investigação Agrícola, CÉROM, que reúne recursos governamentais e privados para a investigação e desenvolvimento de sementes alimentares. Está situado no Québec, Saint-Mathieu-de-Beloeil, a alguns quilómetros a sul da cidade de Montreal, com um clima muito mais rigoroso do que seria de esperar para a sua latitude, com uma amplitude térmica anual de cerca 40ºC e experimentando esporadicamente temperaturas extremas, com quedas no Inverno que chegam aos -34ºC e subidas no Verão que atingem os 34ºC. O Centro é constituído por um edifício principal com cerca de 2300 m2 e três estufas de 160 m2 cada. No edifício principal, com dois pisos a tipologia dos espaços diversifica-se pelas funções de escritório, investigação (laboratórios), salas de atmosfera controlada, câmaras de conservação de refrigerados e câmaras de conservação de congelados.

O objectivo que esteve subjacente na sua concepção foi a construção de um edifício ecológico e de elevada eficiência energética, em relação aos outros edifícios do mesmo tipo no Québec. As condições climatéricas extremas convidam para o aproveitamento geotérmico. No Inverno o aquecimento é feito à custa do calor armazenado no solo. No Verão o arrefecimento liberta o calor do edifício para o solo, recarregando-o para Inverno seguinte.

A energia primária utilizada no CÉROM é, em parte, proveniente de fonte renovável através de bombas de calor com aproveitamento geotérmico - 29 unidades do tipo água/ar ligadas a um circuito geotérmico de 24 furos verticais com 150 m de profundidade - e uma parede solar virada a sudoeste com 64 m2 e constituída por painéis metálicos perfurados. Devido a que a carga média de aquecimento e de arrefecimento para os edifícios na zona de Montreal é cerca de metade da carga máxima, e à não existência de gás natural naquela área, o complemento em energia convencional para satisfação das necessidades térmicas baseia-se na utilização de baterias eléctricas no edifício principal, e de caldeiras a gasóleo no caso das estufas.

Uma roda entálpica, com 75% de eficiência, permite transferir uma parte do calor e da humidade contida no ar de exaustão, para o ar novo. Esta medida, combinada com a utilização da parede solar, permite preencher gratuitamente uma grande parte das necessidades de aquecimento do ar novo, enquanto as bombas de calor fornecem a parte de calor restante. No Verão, a admissão de ar novo faz-se por uma tomada alternativa.

Por outro lado, possui uma estratégia de recuperação de todas as rejeições de calor, o que permite diminuir as necessidades de aquecimento do edifício reutilizando no máximo a energia disponível. Assim todo o calor rejeitado pelos condensadores das câmaras de conservação é injectado no circuito de aproveitamento geotérmico.

A escolha, de sistemas e equipamentos eficientes, permite uma redução no consumo energético. Neste caso o edifício do CÉROM, vai utilizar menos 54% da energia utilizada por um edifício equivalente com sistemas de AVAC tradicionais, de acordo com o regulamento do Canadá para os edifícios.

Com um orçamento de cerca de quatro milhões de euros para o edifício, o custo dedicado à eficiência energética atingiu os 10%, com uma poupança anual superior a 1%, tendo sido subvencionado em cerca de 40%, pelo que a sua amortização se faz em menos de 6 anos.

Sistemas de aproveitamento geotérmico simplificados

Na revista de Outubro, o engenheiro Kirk Mescher, membro da Ashrae, num extenso artigo, contrapõe ao projecto clássico de utilização do sistema de distribuição do aproveitamento geotérmico a dois tubos com variação de caudal, o sistema "monotubo" com o argumento deste sistema ter menores custos, quer de instalação, quer de consumo energético. No primeiro caso, o circulador do circuito é responsável pelas necessidades de caudal e pressão pedidas pelas unidades bomba de calor equipadas com válvulas motorizadas, e que são ligadas em circuitos primário/secundário de retorno directo ou invertido. As válvulas estão encravadas com os compressores das bombas de calor, pelo que só abrem quando é necessário aquecimento ou arrefecimento. O sistema monotubo, conhecido pela sua utilização nos anos 60 e 70, no aquecimento central com radiadores, aparece aqui modificado, pois para além dos circuladores principais de caudal constante - dois, um para a caudal necessário na maioria do tempo, e o outro para os picos - as unidades bombas de calor são equipadas com pequenos circuladores secundários. Perante esta disposição, pergunta Mescher se a água não estará muito quente/fria quando chega à última bomba de calor, e responde que o aumento ou diminuição da temperatura é unicamente função do caudal no primário, enquanto o caudal através das unidades bomba de calor é função do circulador secundário.

No sentido de provar a sua afirmação, Kirk Mescher desmistifica os EER e COP publicados pelos fabricantes, sempre referidos a condições padrão, mas que no caso real as condições são bem diferentes, e por isso estes números de mérito têm que ser corrigidos para reflectir as condições a que as unidades vão estar realmente sujeitas. Embora nas normas ISO já esteja previsto a inclusão da energia necessária para passar a água, através da unidade bomba de calor, a energia necessária para promover a circulação da água através do circuito de distribuição, com todos os seus equipamentos hidrónicos, tais como filtros em Y, válvulas motorizadas, válvulas de equilíbrio, válvulas de retenção e outros, não está contemplada.

Salienta que em muitos circuitos de captação geotérmica, a circulação de água representa um significativo consumo energético, e que excessivos caudais e pressões associados a longos tempos de operação resultam numa pobre eficiência energética. Em teoria, a variação de caudal é claramente vantajosa em relação ao caudal constante, em termos de poupança energética anual. No entanto, em muitos sistemas, devido ao elevado número de horas de operação a baixa carga térmica, a eficiência energética é baixa pelo fraco desempenho dos pares drive/motor, que consomem mais energia do que deviam. Os desempenhos actuas dos circuladores, nos circuitos a dois tubos, situam-se num consumo eléctrico da ordem dos 16 W por cada kW de carga de arrefecimento, enquanto nos sistemas monotubo o consumo eléctrico é de apenas 4,2 W/kW.

Bombas de calor geotérmica - quanto mais simples melhor

O fascículo de Novembro num pequeno artigo em que Steve Kavanaugh, Ph.D., e Fellow Ashrae relatam várias experiências de aplicações de aproveitamento geotérmico através de bombas de calor:

Começa por nos contar que um responsável pela manutenção de escolas em Austin no Texas, Bob Lawson, nos anos oitenta, implementou, para substituição das unidades convencionais utilizadas nas salas de aulas, unidades bomba de calor água/ar, do tipo consola - com o topo inclinado para que não servisse de depósito de livros na saída de ar - de baixas necessidades de manutenção mas com potência suficiente para vencer as cargas térmicas das salas; cada uma destas unidades era ligada a um circuito fechado com dois ou três furos verticais efectuados junto das paredes das salas. Actualmente em Austin e outras cidades próximas, existem mais de 125 escolas que utilizam o princípio de simplicidade de Lawson, uma bomba de calor e um circuito geotérmico com um único circulador.

Fala-nos a seguir de Mike Green, um engenheiro mecânico do Texas que teve muitas experiências no início da instalação dos sistemas em Austin, e cuja principal ilação foi a de aumentar a separação entre os furos verticais de pelo menos seis metros.

Depois discute a estratégia de projecto mais utilizada no aproveitamento geotérmico em escolas, que passa por um único grande circuito geotérmico, ao qual se encontram ligadas as bombas de calor. O circuito geotérmico é constituído por uma matriz de conjuntos de tubos verticais em U, agrupados em sub-circuitos de em seis a 20 conjuntos. Este tipo de circuitos necessita normalmente de circuladores "potentes". Faz notar que apesar da utilização de drives de variação de velocidade que possam reduzir o consumo energético quando o sistema está a carga parcial, nada consome menos energia que o circulador parado como acontece nos sistemas simples.

Afirma que não está provado na prática que os sistemas centrais geotérmicos com distribuição e controlo convencionais possuam custos de instalação e de consumo energéticos mais baixos, especialmente se os sistemas não adoptam as melhores práticas, no que se refere a minimização do consumo de ventiladores e circuladores. Remata que, enquanto isso não estiver comprovado, os projectistas e os donos de obra devem seguir a sugestão de Albert Einstein, "Tudo deve ser tão simples quanto possível, mas não simplista".

Centro Comunitário

A edição de Dezembro culmina com o exemplo do Centro Comunitário de Mistissini, no norte do Québec. Um complexo com uma área de cerca de 7000 m2, que integra um ringue de gelo para jogos, com vestuários para jogadores e árbitros, sala de fitness, biblioteca, restauração tipo fast food e escritórios.

A produção térmica está a cargo de 33 bombas de calor com aproveitamento geotérmico, composto por um total de 28 furos com cerca de 150m de profundidade. Estas unidades, no seu conjunto, asseguram o aquecimento, o arrefecimento, a água quente sanitária, a desumidificação e a temperatura do gelo. Devido à simultaneidade de cargas contrárias, deste tipo de complexo, o calor produzido na manutenção da temperatura do gelo é utilizado para resolver as cargas de aquecimento do recinto. Também a recuperação de calor, no ar extraído, não foi esquecida, fazendo-se através de rodas entálpicas estrategicamente colocadas. O controlo do ar novo é feito por sensores de CO2. É também interessante o equilíbrio introduzido na carga de arrefecimento, quando as cargas internas diminuem, através de uma massa de areia com meio metro de espessura, colocada por debaixo da laje do ringue.

Este Centro vai utilizar menos 62% da energia utilizada por um edifício equivalente com sistemas de AVAC tradicionais, de acordo com o regulamento do Canadá para os edifícios.

Aproximadamente 13,5 milhões de euros foram o custo do edifício em que cerca de 5,5% foram dedicados à eficiência energética. Com uma poupança anual de cerca de 0,9% do custo total do edifício e sendo o custo dedicado à eficiência energética subvencionado em cerca de 30%, a sua amortização faz-se em menos de cinco anos.

Bibliografia utilizada:

Mescher, K., 2009, "One-pipe Geothermal design - Simplified GCHP system" Ashrae Journal Vol. 51,No. 10, October 2009.

Kavanaugh, S., 2009, "GCHP: Simple is Better" Ashrae Journal Vol. 51, No. 11, November 2009

Mescher, K., 2009, "One-pipe Geothermal design - Simplified GCHP system" Ashrae Journal Vol. 51,No. 10, October 2009.

Nichols, L., Giroud, P., Julien, C., 2009, "Geothermal for Community Center" Ashrae Journal Vol. 51,No. 12, December 2009.

 

Rafferty, K., S., 2009, "Commercial Open Loop Heat Pumps systems" Ashrae Journal Vol. 51, No. 3, March 2009.

Sirard, S.,  Bourdages, C., 2009, "Geothermal for Grain Research Center" Ashrae Journal Vol. 51,No. 8, August 2009.

Decisão da Comissão Europeia 2007/742/CE de 9 de Novembro de 2007.

Directive 2009/28/EC of the European Parliament and the Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC

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