Refrigeração: Bombas de Calor de Subsolo (Geotérmicas)

Resfriamento Sustentável: Bombas de Calor Geotérmico no Rio de Janeiro

As bombas de calor  geotérmicas exigem escavação ou perfuração do solo, o que aumenta a complexidade dos projetos e os custos de construção. Foto por Terinea licenciada sob creative commons

 

A bomba de calor geotérmica (GSHP) necessita de dois componentes principais: uma bomba de calor e um permutador de calor.

A bomba de calor é um refrigerador. Um refrigerador é usado para esfriar ambientes, ou seja remover calor. O calor removido precisa ser dispersado e normalmente a dispersão ocorre para a atmostfera e o calor é perdido. através de uma bomba de calor, o calor ao invés de ser perdido, é reaproveitado.

Uma característica das bombas de calor (e refrigeradores) é que elas aumentam a temperatura da fonte de calor.

Por exemplo, em um refrigerador doméstico simples, o ar no interior do refrigerador é transferido para um compressor e neste processo a temperatura do ar aumenta para cerca de 45°C (a mesma energia total, mas a uma temperatura muito maior). Embora este seja o propósito de uma bomba de calor, quanto maior o aumento da temperatura, maior o gasto de energia gasta pelo sistema.

Idealmente as bombas de calor deveriam ser utilizadas para proporcionar arrefecimento e aquecimento simultaneamente (por exemplo, arrefecer um escritório e aquecer a água para chuveiros), mas muitas vezes a demanda por aquecimento e por refrigeração não é simultânea. Sendo assim, um armazenamento térmico torna-se necessário. O solo é o maior armazém térmico disponível.

A fim de se obter uma conexão térmica com o solo, permutadores de calor tem que ser enterrados sob a superfície. Permutadores de calor podem ser horizontais (slinkies) ou verticais (pilhas).

Slinkies geralmente são posicionados a pelo menos dois metros abaixo da superfície do solo (e às vezes a um profundidade maior). Suas instalações exigem grandes escavações e podem ser muito onerosas e complicadas. Uma alternativa para slinkies são as pilhas, que são instaladas por perfuração e não por escavamento – a perfuração cria um buraco com diâmetro de 400 milímetros e comprimento de dezenas de metros (às vezes centenas de metros) no solo, dentro do qual um tubo vertical em forma de U com cerca de diâmetro de 80mm é inserido. O espaço entre o tubo e o buraco é então preenchido com um material condutor térmico.

Existem várias formas de se utilizar permutadores de calor. Uma forma é a utilização de bombas de calor para transferir o calor do solo e reutilizá-lo para aquecimento de água. Quando o  calor é extraído do solo, a temperatura do solo cai. Em um outro momento do dia, pode-se circular água a temperatura ambiente pelos permutadores de calor, de modo que o solo frio resfrie a água e esta possa ser utilizada em sistemas de arrefecimento. Assim, o solo torna-se um armazém térmico, proporcionando calor para aquecimento de água doméstica e frio para arrefecimento do edifício.

Devido à grande capacidade térmica do solo, as fases de aquecimento e arrefecimento podem ter semanas ou mesmo meses de intervalo. O principal problema com GSHPs no Brasil é a ausência de uma demanda significativa para a carga de aquecimento. A principal demanda é para aquecimento de água para uso doméstico e esta deve ser armazenada acima de 60°C para evitar Legionella. Nesta temperatura as bombas não são eficientes. Além disso, as cargas domésticas de água quente são mais facilmente atendidas por sistemas de energia solar.

Se o solo fosse utilizado apenascomoum dissipador de calor para os processos de arrefecimento, ele se tornaria saturado ao longo do tempo e deixaria de ser útil. Potencialmente, refrigeradores por evaporação ou de ar seco poderiam ser utilizados durante a noite e durante o inverno para restaurar a temperatura do solo, mas este sistema não traria uma vantagem significativa que justificasse o investimento inicial de implementação: idealmente deveria haver um equilíbrio entre a demanda de aquecimento e de arrefecimento durante o ano.

Barreiras à Adoção de Tecnologias GSHP

Há uma série de barreiras contra a adoção generalizada de sistemas de GSHP no Rio:

  • Ausência de uma demanda equilibrada anual de aquecimento e arrefecimento
  •  Alta temperatura natural do solo  (cerca de 20° C)
  •  Alto custo, complexidade e risco de construção
  • Custos são difíceis de estimar devido à incerteza – o que pode resultar em preços inflacionados
  • Restrições de espaço em áreas urbanas podem afetar a construção do sistema
  • Sistemas GCHP  aumentam a duração do projeto e criam resíduos adicionais
  • Número limitado de designers  e engenheiros qualificados para instalação deste sistema no Brasil, onde o uso da tecnologia da bomba de calor não é difundido