Trocadores de calor de solo para bomba de calor de fonte subterrânea
Um dos elementos-chave bomba de calor geotérmica é um trocador de calor no solo. É graças a este elemento que a bomba de calor recebe calor de baixa qualidade. Um trocador de calor de solo adequadamente projetado e instalado é a chave para uma operação eficiente e confiável.
Existem muitos projetos de trocadores de calor para obtenção de calor do solo e das águas subterrâneas. Todos eles podem ser classificados em três tipos principais:
- Trocadores de calor horizontais (coletores);
- Trocadores de calor verticais, as chamadas “sondas”;
- E trocadores de calor do tipo “cesta” e “espiral”.
Trocador de calor geotérmico horizontal da bomba de calor
A instalação de um trocador de calor horizontal é a mais simples e não requer custos financeiros significativos. A desvantagem é a grande área ocupada, na qual não deveriam existir posteriormente edifícios e árvores.
A disposição desse trocador de calor é realizada a uma profundidade abaixo do nível de congelamento do solo, geralmente de 1 a 3 m, dependendo da área geográfica e do tipo de solo.
As camadas superiores do solo acumulam calor solar e, na verdade, são acumuladores de energia solar. Portanto, a temperatura das camadas superiores do solo não é uniforme ao longo do ano e apresenta oscilações sazonais, o que por sua vez afeta o período de operação. Por exemplo, a uma profundidade de 2 m, a temperatura do solo varia de 7°C a 13°C ao longo do ano.
Temperatura do solo dependendo da profundidade
A remoção de calor de cada metro de um coletor terrestre depende de muitos fatores. Tais como: profundidade de assentamento, tipo e teor de umidade do solo, sombreamento da área sob o trocador de calor, etc. O valor médio é de 20 W/m. Para cálculos mais detalhados, você deve entrar em contato com especialistas para uma análise geológica detalhada do solo.
O passo de colocação do tubo não deve ser inferior a 0,7 m para o funcionamento eficiente do coletor. Recomenda-se a utilização de um circuito com comprimento total não superior a 150 m devido à elevada resistência hidráulica. Ao utilizar vários contornos, é necessário tentar que cada um deles tenha aproximadamente o mesmo comprimento.
Exemplo de cálculo para um trocador de calor horizontal
Por exemplo, vamos calcular a área ocupada por um coletor horizontal. Digamos que seja necessária uma bomba de calor de 10 kW para uma casa.
A potência de saída dos circuitos trocadores de calor de solo da bomba de calor é calculada em relação à potência e COP da bomba de calor selecionada de acordo com a fórmula:
Pe \u003d Pn * (1 - 1 / COP), kW
Onde Rn é a potência nominal da bomba de calor, COP é o fator de conversão. O cálculo é utilizado para um dos modos de acordo com EN 14511 (normalmente toma-se o ponto B0/W35, onde 0°C é a temperatura do refrigerante na entrada do evaporador, 35°C é a temperatura de alimentação ao aquecedor). Como exemplo, tomemos uma bomba de calor Nibe F1145-10 com parâmetros B0 / W35: potência - 9,95 kW e COP - 5,03.
PE \u003d 9,95 * (1 -1 / 5,03) \u003d 7,97 kW;
O comprimento necessário do trocador de calor horizontal da bomba de calor é igual à razão entre a potência necessária e a potência de saída de um metro de tubo:
Onde q - tomamos 20 W/m (valor médio para coletores horizontais).
L = 7,97 / 0,02 = 398,5m
Para a nossa bomba de calor, serão idealmente 4 circuitos de terra de 100 m cada. Para saber qual área tal coletor ocupará, esse número deve ser multiplicado pela etapa de assentamento do tubo (tomamos um passo igual a 0,7 m) S = 400 * 0,7 = 280 m².
Trocador de calor vertical de solo - "Zond"
A temperatura do solo a profundidades superiores a 20 metros é estável ao longo do ano e é igual a 8-10 ° C, é mantida graças à energia geotérmica do interior da Terra. Para obter essa energia, são utilizados trocadores de calor verticais terrestres denominados “Sondas”, que ficam imersos em poços de 20 a 300 m de profundidade e 120 a 200 mm de diâmetro. Geralmente use um tubo de plástico com diâmetro de 32 mm ou mais. Um ou dois loops de sonda são colocados no poço e o espaço entre o solo e o tubo é preenchido com bentonita ou outra solução com alta condutividade térmica.
A remoção de calor do trocador de calor vertical é maior que a do horizontal e é medida em média 50 W/m. No entanto, o valor real pode ser muito diferente e depende do teor de umidade da rocha e da presença de água subterrânea.
Embora o calor das entranhas da terra seja uma fonte renovável de energia, a regeneração térmica (renovação) não ocorre tão rapidamente quanto consumimos o calor do solo. É por isso todos os dados são baseados em 1.800 horas de operação da bomba de calor por ano. Segundo estudos, nos primeiros 2-3 anos, a temperatura do solo ao redor dos trocadores de calor cai drasticamente, mas a cada ano a diminuição da temperatura diminui. Tudo isto leva a uma diminuição da eficiência da bomba de calor. Se utilizar uma bomba de calor durante mais de 1800 horas por ano, existe o risco de uma diminuição significativa da temperatura à volta do poço ou mesmo de congelamento de algumas áreas. Isso pode levar ao afundamento de algumas camadas do solo e à destruição das tubulações do trocador de calor, ou a consequências mais perigosas para o microclima do solo e das construções próximas ao poço. Para uma melhor regeneração do solo, recomenda-se fornecer calor adicional ao trocador de calor no verão, por exemplo, a partir de coletores solares ou utilizá-lo, aquecendo assim a sonda.
O cálculo do comprimento do trocador de calor vertical do solo é realizado de forma semelhante aos coletores horizontais. Para a bomba de calor previamente selecionada:
L \u003d Pe / q \u003d 7,97 / 0,05 \u003d 159,4 m
Pode ser um poço de 160 m ou três poços de 55 m cada. Ao utilizar várias sondas é necessário perfurar poços na distância máxima possível entre si (pelo menos 6 m). Para uma operação mais eficiente, recomenda-se perfurar menos poços.
Outros trocadores de calor subterrâneos de bombas de calor geotérmicas
Os trocadores de calor tipo Cesta e Espiral foram classificados separadamente.
Eles combinam as propriedades dos trocadores de calor horizontais com um método de instalação que lembra os trocadores de calor verticais. Esses trocadores de calor são colocados a uma profundidade de 5 m. Existem também algumas outras modificações trocadores de calor terrestres bombas de calor geotérmicas.
