Com maior ênfase na redução de emissões energéticas e pegada de carbono tomando centro do palco, sistemas de aquecimento e resfriamento geotérmicos tornaram-se populares entre proprietários nos EUA. Sistemas geotérmicos estão em uso desde os anos 1940, começando por fornecer aquecimento básico de água. Com o tempo, incorporando novas tecnologias e avanços em sistemas de tratamento de ar, tornaram-se uma alternativa comercialmente viável a sistemas HVAC mais convencionais.
Sistemas geotérmicos de aquecimento e resfriamento, também chamados Bombas de Calor de Fonte Terrestre (GSHP), fornecem aquecimento e resfriamento trocando calor com o solo. Estes sistemas aproveitam o fato de que a temperatura do solo permanece relativamente constante durante o ano, variando de 7 a 24°C. Dependendo da estação, o solo pode servir como fonte de calor ou dissipador de calor.
O maior benefício das bombas de calor geotérmicas é que usam 25% a 50% menos eletricidade que outros sistemas de aquecimento ou resfriamento. Além disso, embora os custos iniciais de instalação possam ser altos, o período de retorno relativamente curto de 6-7 anos compensa o investimento inicial. Após este período, é um sistema HVAC de baixa manutenção e energeticamente eficiente para sua casa.
Todos os sistemas geotérmicos de resfriamento e aquecimento têm alguns componentes comuns. Estes incluem um mecanismo para transferir o fluido de troca de calor ao solo e de volta, uma bomba de calor para mover o fluido, e um sistema de distribuição.
Vamos examinar cada um destes sub-sistemas e suas funções.
Todos os tipos de sistemas geotérmicos empregam uma malha de tubos interconectados usados como trocadores de calor colocados no subsolo. No inverno, quando está frio no ar mas quente no solo, o refrigerante dentro destas bobinas absorve o calor do solo e transfere para o edifício. O mesmo processo é invertido no verão, quando o calor é absorvido do edifício e rejeitado no solo.
Este sistema de loop conecta-se à bomba de calor geotérmica. Inclui compressor, bomba, e uma unidade de tratamento de ar opcional se o sistema aquece o ar. Este ar é então circulado pela casa usando um sistema de dutos e ventilação.
Sistemas geotérmicos são categorizados segundo o projeto dos trocadores de calor. Podem ser loops fechados, loops abertos, verticais, horizontais, loops de lago, ou loops slinky. Sistemas de loop fechado recirculam o refrigerante já presente no sistema. Por outro lado, sistemas de loop aberto renovam constantemente o refrigerante, usando um lago de água doce ou aquífero subterrâneo, já que o refrigerante é principalmente água neste caso.
Sistemas de loop fechado são o tipo comum usado em sistemas geotérmicos. Água, misturada com anticongelante ou outro refrigerante adequado, é usada dentro das bobinas do trocador de calor para servir como meio de troca de calor. Não há necessidade de repor o fluido no sistema continuamente. Este sistema pode ser subdividido segundo a orientação dos loops do trocador de calor no solo.
Como é evidente, os trocadores de calor neste tipo são orientados verticalmente. Furos são perfurados até 120 metros de profundidade, e tubos em U são colocados dentro deles. Múltiplos tubos em U em diferentes furos são então conectados para formar uma rede fechada, que é então conectada com a bomba e compressor (se houver).
O furo é então preenchido com argamassa para fornecer melhor condutividade térmica entre os tubos em U e o solo. O número de furos, seu espaçamento, profundidade e volume de fluido nos tubos em U dependem das características do solo, necessidades de aquecimento e resfriamento da casa, variações de temperatura.
Uma vantagem deste arranjo é que pode ser colocado numa área de superfície pequena comparado a loops horizontais. Isso o torna ideal para pequenos proprietários ou escolas em áreas urbanizadas, onde imóveis costumam ser caros. Mas medidas preventivas devem ser tomadas para que os furos sejam fortes o suficiente para não colapsar. Além disso, o subsolo perfurado deve ainda conseguir sustentar os edifícios nas proximidades.
Um sistema de loops horizontais compõe-se de tubos colocados em orientação horizontal junto ao solo. Uma vala rasa e longa, mais profunda que a linha de geada, é escavada, e tubos em U são colocados dentro dela. Geralmente, a profundidade varia de 1 a 3 metros. O comprimento pode chegar a 120 metros, dependendo dos requisitos específicos.
A profundidade pode ter efeito profundo nas características de aquecimento e resfriamento de um sistema de loop horizontal. Se muito raso, os loops podem absorver calor do sol durante a transição do inverno para o verão, quando o solo ainda está comparativamente frio. Isso aumenta a capacidade de aquecimento do sistema. Mas um efeito adverso é que durante os meses de inverno, os loops resfriam a uma taxa maior devido à proximidade com a superfície.
Este problema pode ser eliminado aumentando a profundidade dos loops, com o custo de instalação aumentado sendo compensado pela economia de energia. Outra solução é usar uma camada superior termicamente não condutiva acima dos loops. Isso impede que os loops sejam afetados pelo solo superficial ou mudanças atmosféricas de temperatura.
Sistemas de loop horizontais são mais adequados a áreas com grande quantidade de solo disponível para escavação, como grandes fazendas, propriedades rurais, etc.
Muito parecidos com loops horizontais, loops slinky são usados onde loops horizontais precisariam ser usados, mas não há espaço suficiente. Tubos em formato de bobina são colocados em valas rasas semelhantes a loops horizontais. Estes loops sobrepõem-se uns aos outros quando colocados no fundo da vala. Isso proporciona a mesma distância para o fluido passar dentro dos tubos mas com comprimento de cobertura encurtado de todo o sistema.
Estes sistemas são usados onde há um corpo d'água adequado próximo. Os loops podem ser submersos debaixo d'água ou colocados no leito do corpo d'água. Tal sistema não tem custos de escavação ou perfuração associados, e em caso de falha ou vazamento, permite fácil extração do sistema de loop. O corpo d'água deve ser suficientemente profundo para que efeitos superficiais de temperatura não se traduzam nos loops.
Sistemas de loop aberto são a forma mais simples de todos os sistemas de aquecimento geotérmico. Um tubo de extremidade aberta é usado para captar água de um aquífero subterrâneo, nascente termal, ou outra fonte d'água adequada. Esta água é então passada pelos trocadores de calor dentro da bomba de calor. A água usada é então descarregada na mesma fonte d'água, a uma distância adequada da captação. Sistemas de loop aberto têm alguns desafios, porém.
Grande cuidado deve ser tomado para garantir que a água de entrada seja suficientemente limpa e tenha composição mineral adequada para não danificar a bomba de calor ou trocadores de calor. Químicos ou sólidos dissolvidos na água podem reagir com o material dos trocadores de calor e servir como acelerador de corrosão. Incrustação calcária pode formar-se no interior dos tubos, reduzindo o fluxo de água.
Além disso, regulamentações ambientais em alguns locais exigem que a água de saída seja tratada antes de ser descarregada. Regulamentações ainda mais estritas podem proibir completamente a descarga de água, necessitando assim sistemas de loop fechado.
Quase todo tipo de sistema geotérmico tem uma bomba de calor associada. Geralmente é instalada num armário, fora da vista. Uma bomba de calor geotérmica consiste de compressor, trocador de calor, e outros sistemas de controle aliados. Se o sistema de aquecimento e resfriamento usa ar para condicionar espaços internos, uma unidade de tratamento de ar também faz parte do pacote.
Bombas de calor funcionam trocando calor entre o refrigerante (geralmente água) nos loops do solo e o meio dentro da rede de dutos. Durante os meses de inverno, a água absorve calor do solo e viaja ao trocador de calor na bomba de calor. O refrigerante é então comprimido, elevando sua temperatura e transformando-o em gás. O calor dentro do refrigerante é então extraído usando trocadores de calor e passado através de um sistema de dutos ou tubos por toda a casa. A última etapa é geralmente feita com unidades de tratamento de ar se o ar é usado para distribuir o calor.
Este processo é invertido nos meses de verão. Com resfriamento geotérmico, o refrigerante absorve calor do interior e rejeita ao solo através dos loops subterrâneos.
Como em sistemas de ar condicionado por dutos, sistemas geotérmicos também empregam sistema de dutos. Isso torna sistemas geotérmicos especialmente adequados para projetos de reforma em casas com dutos já instalados. Os dutos existentes podem então ser utilizados para este propósito.
Isso vale para sistemas que transferem calor pelo edifício usando ar, chamados sistemas líquido-ar. Unidades de tratamento de ar, que são grandes ventiladores, movem grandes volumes de ar através dos dutos. Mas em alguns sistemas, água é bombeada diretamente por toda a casa usando tubos embutidos na estrutura base da casa ou através de radiadores – tal arranjo é chamado água-água.
Sistemas água-água também podem ser usados como aquecedores de água para uso doméstico. Uma bomba de calor geotérmica pode manter a água corrente a aconchegantes 49°C, que é menos que os 65-93°C exigidos por caldeiras. Mas pré-aquecer a água através de sistema geotérmico resulta em economia de energia com a caldeira.
Arranjos água-água são opção popular para sistemas de distribuição de água para aquecimento e resfriamento. Loops são embutidos sob o piso ou dentro das paredes. Estes loops ficam fora de vista e não fazem ruído enquanto ainda fornecem aquecimento e resfriamento. Outra opção é usar sistemas de aquecimento de rodapé em conjunto com sistemas geotérmicos. Mas tenha cuidado com esta opção, e consulte um profissional para dimensionamento adequado da sua casa e necessidades de aquecimento.
Sistemas geotérmicos apresentam investimento inicial mais alto que sistemas contemporâneos de aquecimento e resfriamento doméstico, embora estes custos estejam diminuindo gradualmente. Com taxa de crescimento de cerca de 12% ao ano no mercado de sistemas geotérmicos, mais fabricantes aumentam a concorrência e reduzem preços.
Em média, sistemas geotérmicos domésticos podem custar entre $10.000 a $30.000. O valor exato depende das características do solo, área a ser escavada, se é sistema de loop vertical ou horizontal, área de condicionamento dentro da casa, dutos pré-existentes, e qualidade da instalação. Versões de alto padrão podem custar ainda mais.
Além disso, a escolha entre água-ar e água-água também pode influenciar o custo. Bombas de calor água-ar são a escolha mais econômica entre as duas.
Perfuração e escavação podem somar mais da metade do custo total de instalação de um sistema geotérmico. Instalação de bomba de calor geotérmica para o sistema todo também pode ser custosa. Custos de aquecimento e resfriamento geotérmicos média em $2.500 por tonelada, segundo o Departamento de Energia dos EUA.
As vantagens oferecidas por sistemas geotérmicos são numerosas. Vamos ver algumas:
Quanto à eficiência, sistemas geotérmicos de aquecimento e resfriamento superam em muito o ar condicionado convencional. A principal razão é que um sistema de bomba de calor geotérmica não ejeta calor para um ambiente externo quente, mas o transfere para um ambiente frio.
Como discutido antes, um sistema geotérmico pode proporcionar economia de energia de até 50%. Isso pode parecer uma dádiva nos meses quentes de verão. Isso se deve em parte aos altos Índices de Eficiência Energética de sistemas geotérmicos, chegando a 25, comparado a 15 para sistemas convencionais. Resfriamento geotérmico pode, portanto, ter grande impacto nas suas contas de verão.
Um sistema geotérmico não tem muitas peças para cuidar, como um sistema HVAC convencional. Não há dutos; não há amortecedores ou venezianas; nenhum combustível precisa ser monitorado. Você não precisa manter uma fornalha no inverno e uma bomba de calor no verão. Os dois componentes principais de sistemas geotérmicos são os loops do solo e a bomba de calor. Os loops do solo são instalados no início e raramente precisam ser cuidados novamente.
A vida útil média de um ar condicionado convencional é de 10-15 anos. Mas isso só após devidos cuidados e manutenção. Se você negligenciar cuidados adequados de HVAC, a vida útil pode encurtar.
Um sistema geotérmico de aquecimento ou resfriamento, por outro lado, pode durar 20 a 50 anos. Manutenção mínima é necessária. Os loops do solo não precisam ser verificados periodicamente, e o sistema pode continuar funcionando por muito tempo. Isso ocorre porque um sistema geotérmico não é exposto a elementos agressivos durante todo o ano. Um sistema HVAC convencional é exposto a vento e variações de temperatura, junto com poluentes nocivos no ar.
Chega de falar de custos, vamos falar de economia! Atualmente, casas com sistemas geotérmicos instalados qualificam-se para crédito fiscal federal de 30%. Além disso, a maioria dos estados ou concessionárias de energia oferecem descontos ou subsídios a casas usando sistemas de energia geotérmica. Isso também pode reduzir significativamente custos de bomba de calor geotérmica. Para descobrir se você é elegível ao desconto, acesse o Database for State Incentives for Renewables and Efficiency.
Suas contas de energia elétrica também cairão drasticamente. Estima-se que 42% do uso de energia doméstica é para necessidades de aquecimento. O uso de sistemas geotérmicos pode reduzir este uso em 50%, dependendo das especificidades do local. O mesmo ocorre com emissões de gases de efeito estufa.
Com vida média de 20-25 anos, sistemas geotérmicos de aquecimento e resfriamento podem resultar em até $75.000 de economia de energia durante sua vida útil. O período de retorno é muito menor, variando de 5-8 anos em média. Como você vê, mesmo que custos de aquecimento e resfriamento geotérmico sejam altos inicialmente, compensam a longo prazo.
Absolutamente sim. A economia de energia e cortes de emissões obtidos através de sistemas geotérmicos tornam-nos proposta atraente. Mesmo que sistemas geotérmicos não forneçam o pacote completo, podem ser usados como sistemas suplementares.
A escolha final depende da sua situação específica: se é casa nova ou antiga, capacidades de aquecimento e resfriamento necessárias, e muito mais. Finanças também devem ser consideradas. Custos de bomba de calor geotérmica podem parecer proibitivos. Mas, como sempre, com sistemas HVAC, certifique-se de consultar um profissional experiente antes de gastar seu dinheiro!
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