Com uma ênfase crescente na redução das emissões de energia e da pegada de carbono no centro das atenções, os sistemas de aquecimento e resfriamento geotérmicos tornaram-se populares entre os proprietários de residências nos EUA. Os sistemas geotérmicos estão em vigor desde a década de 1940, começando por fornecer aquecimento básico de água. Ao longo do tempo, a incorporação de novas tecnologias e avanços nos sistemas de tratamento de ar tornou os sistemas geotérmicos adequados como uma alternativa comercialmente viável aos sistemas HVAC mais convencionais.
Os sistemas geotérmicos de aquecimento e resfriamento, também chamados de bombas de calor geotérmicas (GSHP), fornecem aquecimento e resfriamento trocando calor com o solo. Esses sistemas aproveitam o fato de que a temperatura do terreno permanece relativamente constante ao longo do ano, variando de 45 a 75 F. Dependendo da estação, o solo pode servir como fonte de calor ou dissipador de calor.
O principal benefício das bombas de calor geotérmicas é que elas usam 25% a 50% menos eletricidade do 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 a 7 anos compensa o investimento inicial. Após esse período, é um sistema HVAC de baixa manutenção e eficiência energética para sua casa.
Todos os sistemas de refrigeração e aquecimento geotérmicos têm alguns componentes comuns. Estes incluem um mecanismo para transferir o fluido de troca de calor para o solo e vice-versa, uma bomba de calor para mover o fluido e um sistema de distribuição.
Vamos dar uma olhada em cada um desses subsistemas e suas funções.
Sistemas de Loop Geotérmico
Todos os tipos de sistemas geotérmicos empregam uma malha de tubos interconectados usados como trocadores de calor colocados no subsolo. Nos invernos, quando está frio no ar, mas quente no solo, o refrigerante dentro dessas bobinas absorve o calor do solo e o transfere para o prédio. O mesmo processo é invertido para os verões, quando o calor é absorvido do edifício e rejeitado no solo.
Este sistema de loop se conecta à bomba de calor geotérmica. Inclui o compressor, a bomba e uma unidade de tratamento de ar opcional se o sistema aquecer o ar. Este ar é então circulado por toda a casa usando um sistema de dutos e aberturas.
Os sistemas geotérmicos são categorizados de acordo com o projeto dos trocadores de calor. Eles podem ser loops fechados, loops abertos, verticais, horizontais, loops de lagoa ou loops furtivos. Os sistemas de circuito fechado recirculam o refrigerante já presente dentro do sistema. Por outro lado, os sistemas de malha aberta atualizam constantemente o refrigerante, usando um lago de água doce ou aquífero subterrâneo, já que o refrigerante é principalmente água neste caso.
Sistemas geotérmicos de circuito fechado
Os sistemas de circuito fechado são o tipo comum usado para sistemas geotérmicos. Água, misturada com anticongelante ou outro refrigerante adequado, é usada dentro das serpentinas do trocador de calor para servir como meio de troca de calor. Não há necessidade de reabastecer o fluido no sistema continuamente. Este sistema pode ser ainda dividido de acordo com a orientação dos circuitos do trocador de calor dentro do solo.
Loops verticais
Como é evidente, os trocadores de calor deste tipo são orientados verticalmente. Buracos são perfurados até 400 pés de profundidade e tubos em U são colocados dentro deles. Vários tubos em U em diferentes orifícios são então conectados para formar uma rede fechada, que é então conectada à bomba e ao compressor (se houver).
O poço 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 em tubos em U dependem das características do solo, necessidades de aquecimento e resfriamento da casa, variações de temperatura.
Uma vantagem deste arranjo é que ele pode ser colocado dentro de uma pequena área de superfície em comparação com os laços horizontais. Isso o torna ideal para pequenos proprietários ou escolas em áreas construídas, onde os imóveis geralmente podem ser um prêmio. Mas medidas preventivas precisam ser tomadas para que os furos sejam fortes o suficiente para não entrarem em colapso. Além disso, o subsolo perfurado ainda deve ser capaz de manter os edifícios nas proximidades.
Loops horizontais
Um sistema de loops horizontais é composto por tubos que são colocados em uma orientação horizontal ao longo do solo. Uma trincheira rasa e longa, mais profunda do que a linha de geada, é cavada e tubos em U são colocados dentro delas. Geralmente, a profundidade é de 1 a 3 metros. O comprimento pode ser de até 400 pés, dependendo dos requisitos específicos.
A profundidade pode ter um efeito profundo nas características de aquecimento e resfriamento de um sistema de loop horizontal. Se forem muito rasos, os laços podem absorver o calor do sol durante a mudança do inverno para o verão, quando o solo ainda está relativamente frio. Isso aumenta a capacidade de aquecimento do sistema. Mas um efeito adverso é que durante os meses de inverno, os loops serão resfriados a uma taxa maior devido à sua proximidade com a superfície.
Este problema pode ser eliminado aumentando a profundidade dos loops, sendo o aumento do custo de instalação compensado pela economia de energia. Outra solução é usar uma camada superior termicamente não condutora acima dos laços. Isso evita que os loops sejam afetados pelo solo superficial ou mudanças atmosféricas de temperatura.
Os sistemas de loop horizontal são mais adequados para áreas com grande quantidade de terreno disponível para ser desenterrado, como grandes casas de fazenda, propriedades rurais, etc.
Slinky Loops
Assim como os laços horizontais, os laços furtivos são usados onde os laços horizontais precisam ser usados, mas não há espaço suficiente disponível. Tubos semelhantes a bobinas são colocados em valas rasas semelhantes a laços horizontais. Esses laços se sobrepõem quando colocados no fundo da vala. Isso fornece a mesma distância para o fluido passar dentro dos tubos, mas com um comprimento de cobertura reduzido de todo o sistema.
Loops de lago
Esses sistemas são usados onde há um corpo de água adequado nas proximidades. As alças podem ser submersas na água ou colocadas no leito do corpo d'água. Esse sistema não tem custos de escavação ou perfuração associados a ele e, no caso de falha ou vazamento, fornece fácil extração do sistema de loop. O corpo d'água deve ser suficientemente profundo para que os efeitos superficiais da temperatura não se traduzam dentro dos loops.
Sistemas geotérmicos de malha aberta
Os sistemas de malha aberta são os mais simples de todas as formas de sistemas de aquecimento geotérmico. Um tubo de extremidade aberta é usado para extrair água de um aquífero subterrâneo, fonte termal ou outra fonte de água adequada. Esta água é então passada através dos permutadores de calor dentro da bomba de calor. A água utilizada é então descarregada na mesma fonte de água, a uma distância adequada da tomada de água. Os sistemas de malha aberta têm alguns desafios, no entanto.
Deve-se ter muito cuidado para garantir que a água de entrada esteja suficientemente limpa e tenha uma composição mineral adequada para não danificar a bomba de calor ou os trocadores de calor. Produtos químicos dissolvidos ou sólidos na água podem reagir com o material dos trocadores de calor e servir como acelerador de corrosão. O calcário pode se formar no interior dos tubos, reduzindo assim o fluxo de água.
Além disso, as regulamentações ambientais em alguns lugares exigem que a água de saída seja tratada antes de ser descartada. Mesmo regulamentações mais rígidas podem proibir completamente a descarga de água, exigindo sistemas de circuito fechado.
Bombas de calor geotérmicas
Quase todos os tipos de sistemas geotérmicos têm uma bomba de calor. Geralmente é instalado em um gabinete, em algum lugar fora da vista. Uma bomba de calor geotérmica consiste em um compressor, trocador de calor e outros sistemas de controle aliados. Se o sistema de aquecimento e refrigeração utiliza ar para condicionar os espaços interiores, uma unidade de tratamento de ar também faz parte do pacote.
As bombas de calor funcionam trocando calor entre o refrigerante (geralmente água) nos circuitos de aterramento e o meio dentro do duto. Durante os meses de inverno, a água absorve o calor do solo e viaja para o permutador 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 por um sistema de dutos ou tubos em toda a casa. A última etapa geralmente é feita com unidades de tratamento de ar se o ar for usado para distribuir o calor.
Este processo é revertido nos meses de verão. Com o resfriamento geotérmico, o refrigerante absorve o calor do interior e o rejeita para o solo através dos circuitos subterrâneos.
Sistema de Distribuição Geotérmica
Assim como os sistemas de ar condicionado com dutos, os sistemas geotérmicos também empregam um sistema de dutos. Isso torna os sistemas geotérmicos especialmente adequados para projetos de renovação em residências com dutos já instalados. As condutas existentes podem então ser utilizadas para este fim.
Isso vale para sistemas que transferem calor por todo o edifício usando ar, chamados de sistemas líquido-ar. As unidades de tratamento de ar, que são grandes ventiladores, movem grandes volumes de ar através dos dutos. Mas em alguns sistemas, a água é bombeada diretamente pelas casas usando canos embutidos na estrutura da base da casa ou através de aquecedores de radiador – tal arranjo é chamado de água para água.
Os sistemas de água para água também podem ser usados como aquecedores de água para uso doméstico. Uma bomba de calor geotérmica pode manter a água corrente a 120 F, o que é menos do que os 150-200 F necessários alcançados por meio de caldeiras. Mas o pré-aquecimento da água através de um sistema geotérmico resulta em economia de energia com a caldeira.
Arranjos água-água são uma opção popular para sistemas de distribuição de água para aquecimento e resfriamento. Loops são embutidos embaixo do piso ou dentro das paredes. Esses loops permanecem fora de vista e não fazem barulho enquanto ainda fornecem aquecimento e resfriamento. Outra opção é usar sistemas de aquecimento de rodapé em conjunto com sistemas geotérmicos. Mas tome cuidado com essa opção, e consulte um profissional para o dimensionamento adequado da sua casa e as necessidades de aquecimento.
Custos de instalação para aquecimento e resfriamento geotérmico
Os sistemas geotérmicos apresentam um investimento inicial mais alto do que os sistemas de aquecimento e refrigeração domésticos contemporâneos, embora esses custos estejam diminuindo gradualmente. Com uma taxa de crescimento de cerca de 12% ao ano no mercado de sistemas geotérmicos, cada vez mais fabricantes aumentam a concorrência e reduzem os preços.
Em média, os sistemas geotérmicos domésticos podem custar de US$ 10.000 a US$ 30.000. A quantidade exata depende das características do solo, área a ser desenterrada, se é um sistema de loop vertical ou horizontal, área de condicionamento dentro da casa, dutos anteriores e qualidade da instalação. Versões de ponta podem custar ainda mais do que isso.
Além disso, a escolha entre água-ar e água-água também pode influenciar o custo. As bombas de calor água-ar são a escolha mais económica entre as duas.
Perfuração e escavação podem representar mais da metade do custo total de instalação de um sistema geotérmico. A instalação de bombas de calor geotérmicas para todo o sistema também pode ser cara. Os custos de aquecimento e resfriamento geotérmicos chegam a US$ 2.500 por tonelada, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA.
Vantagens dos sistemas geotérmicos de aquecimento e resfriamento
As vantagens oferecidas pelos sistemas geotérmicos são inúmeras. Vejamos alguns deles:
No que diz respeito à eficiência, os sistemas geotérmicos de aquecimento e resfriamento superam em muito o ar condicionado convencional. A principal razão para isso é que um sistema de bomba de calor geotérmica não está ejetando calor para um ambiente externo quente, mas transferindo-o para um ambiente frio.
Como discutido anteriormente, um sistema geotérmico pode proporcionar economia de energia de até 50%. Isso pode parecer uma dádiva de Deus nos meses quentes de verão. Isso se deve em parte aos altos índices de eficiência energética dos sistemas geotérmicos, chegando a 25, em comparação com 15 para sistemas convencionais. O resfriamento geotérmico pode, portanto, ter um grande impacto em suas contas de verão.
Um sistema geotérmico não tem muitas partes para cuidar, como um sistema HVAC convencional. Não há dutos; não há amortecedores ou persianas; nenhum combustível precisa ser controlado. Você não precisa manter um forno nos invernos e uma bomba de calor nos verões. Os dois principais componentes dos sistemas geotérmicos são os loops de terra e a bomba de calor. Os loops de aterramento são instalados logo no início e raramente precisam ser reparados novamente.
A vida útil média de um ar condicionado convencional é algo em torno de 10-15 anos. Mas isso é somente após os devidos cuidados e manutenção. Se você negligenciar os cuidados adequados de HVAC, a vida útil pode diminuir.
Um sistema de aquecimento ou resfriamento geotérmico, por outro lado, pode durar de 20 a 50 anos. É necessária uma manutenção mínima. Os loops de aterramento não precisam ser verificados periodicamente e o sistema pode continuar funcionando por muito tempo. Isso ocorre porque um sistema geotérmico não está exposto a elementos agressivos durante todo o ano. Um sistema HVAC convencional é exposto às variações de vento e temperatura, juntamente com os poluentes nocivos presentes no ar.
Economia pelo sistema de aquecimento e resfriamento geotérmico
Chega de custos, vamos falar de economia! No momento, as casas instaladas com sistemas geotérmicos estão qualificadas para um crédito de imposto federal de 30%. Além disso, a maioria dos estados ou concessionárias de energia elétrica oferecem descontos ou concessões para residências que usam sistemas de energia geotérmica. Isso também pode reduzir significativamente os custos da bomba de calor geotérmica. Para saber se você está qualificado para o desconto, acesse o Banco de dados de incentivos estaduais para energias renováveis e eficiência.
Suas contas de energia elétrica também cairão. Estima-se que 42% do uso de energia doméstica é para necessidades de aquecimento. O uso de sistemas geotérmicos pode reduzir esse uso em 50%, dependendo das especificidades do local. O mesmo acontece com as emissões de gases de efeito estufa.
Com uma vida média de 20 a 25 anos, os sistemas geotérmicos de aquecimento e resfriamento podem resultar em até US$ 75.000 em economia de energia durante sua vida útil. O período de retorno é muito menor do que isso, variando de 5 a 8 anos em média. Como você pode ver, embora os custos de aquecimento e resfriamento geotérmico possam ser altos inicialmente, eles serão recompensados a longo prazo.
Você deve considerar os sistemas geotérmicos?
Absolutamente sim. A economia de energia e os cortes de emissões obtidos por meio de sistemas geotérmicos os tornam uma proposta atraente. Mesmo que os sistemas geotérmicos não forneçam o pacote completo, eles podem ser usados como sistemas complementares.
A escolha final depende da sua situação específica:se é uma casa nova ou antiga, as capacidades de aquecimento e refrigeração necessárias e muito mais. As finanças também devem ser levadas em conta. Os custos da bomba de calor geotérmica podem parecer proibitivos. Mas, como sempre, com sistemas de climatização, certifique-se de consultar um profissional experiente antes de gastar seu dinheiro!
