Metodologias de Dimensionamento de Permutadores Geotérmicos para Sistemas Bomba de Calor

Abstract

O presente trabalho foi realizado no âmbito de um estágio curricular na empresa Climacer, especializada em sistemas AVAC. Teve como objectivo principal o estudo de sistemas de bombas de calor geotérmicas (Ground Source Heat Pumps, GSHP) e particularmente o dimensionamento dos permutadores de calor geotérmicos que os compõem. Numa primeira fase, descreve-se funcionamento dos sistemas, analisando os ciclos termodinâmicos que caracterizam uma unidade do tipo bomba de calor com circuitos de captação geotérmica. Focando-se nos permutadores geotérmicos mais correntes, colocados horizontalmente ou verticalmente à superfície de permuta, foi feito um estudo das metodologias de dimensionamento, destacando o método proposto pela norma alemã VDI 4640, o método proposto pela ASHRAE segundo simplificações sugeridas por Bernier (2008), e o desenvolvimento de um método baseado na eficácia dos permutadores de calor (ε – NTU). Os três métodos foram aplicados na construção de uma folha de cálculo. As metodologias desenvolvidas em folha de cálculo foram usadas num caso de estudo. Os resultados obtidos segundo os três métodos estiveram relativamente próximos do esperado em projecto, indicando que estes são uma boa base de estimativa no dimensionamento dos permutadores. No entanto, estes resultados foram obtidos segundo vários pressupostos, no qual se conclui que os modelos analíticos não são suficientes para um projecto desta natureza, sendo útil uma abordagem por simulação numérica. Efectuou-se uma análise económica a nível de instalação destes sistemas analogamente a um sistema alternativo por condensação a ar (Air Source Heat Pump, ASHP), concluindo que os custos de instalação de sistemas geotérmicos são muito elevados, sendo estes mais adequados para países nórdicos com condições mais propícias.

The present work was conducted under a traineeship in Climacer Company specializing in HVAC systems. The main goal was to study ground source heat pumps systems (GSHP), and particularly the sizing of geothermal heat exchangers that compose them. In the early stage, it is described the operation of systems by analyzing the thermodynamic cycles featuring a unit of heat pump with circuit for geothermal uptake. Focusing on the most common geothermal heat exchangers, placed horizontally or verticality to the surface exchange, a study was made of the methodologies of dimensioning, highlighting the method proposed by German standard VDI 4640, the method proposed by ASHRAE according to simplifications suggested by Bernier (2008) and the development of a method based on the efficiency of heat exchangers (ε – NTU). The three methods were used for construction of a spreadsheet. The methodologies developed in the spreadsheet were used in a case study. The results obtained by the tree methods were relatively close to the expected in project, indicating that they are a good basis for estimating the sizing of heat exchangers. However, the results were obtained under several assumptions, which conclude that the analytical models are not sufficient for a project of this nature, so the use of numeric simulation would be very helpful. An economic analysis between the installation of these kinds of systems and the alternative air source heat pumps systems (ASHP) was performed. After this it can be concluded that the costs of installing geothermal systems are very high, which are more suitable for Nordic countries with more favourable conditions.