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Bombas de calor geotérmicas são muito utilizadas em países como Canadá e Estados Unidos da América, porém, são pouco utilizadas no Brasil, em parte porque não se sabe se as temperaturas do solo brasileiro são adequadas para a utilização destes sistemas. O objetivo desta dissertação é apresentar medidas de temperatura do solo feitas em diversas cidades do Estado do Paraná e determinar o desempenho das bombas de calor geotérmicas em comparação com os sistemas convencionais de ar condicionado. Apresentam-se resultados da medição de temperaturas geotérmicas em dez cidades paranaenses, representativas dos diferentes solos e climas do Paraná. As medições foram realizadas ao longo de um ano, com equipamentos aferidos e sistemas digitais de aquisição de dados em estações de medição instaladas nas diferentes cidades. Os dados de temperatura geotérmica e ambiente foram utilizados para simulação do coeficiente de performance, por meio de software de dimensionamento de sistemas em ciclo de refrigeração por compressão de vapor, baseado no diagrama de pressão-entalpia do fluido de trabalho. O desempenho teórico do sistema geotérmico foi comparado ao do sistema convencional. Verificou-se que a temperatura geotérmica, medida em todas as estações entre janeiro e outubro de 2013, variou de 16 a 24 °C, enquanto a temperatura ambiente variou entre 2 e 35 °C. Os seguintes valores médios de COPfrigorífico foram encontrados: 3,7 kW/kW (Texterna) e 5,9 kW/kW (Tgeotérmica). Para o COPcalororífico os valores encontrados são: 5,0 kW/kW (Texterna) e 7,9 kW/kW (Tgeotérmica). Portanto, verificou-se uma média de ganho em eficiência de 59% com o uso do sistema geotérmico na comparação com o sistema convencional. Em Curitiba e Ponta Grossa o ganho de eficiência ultrapassou 70%, no inverno. Observou-se uma relação linear entre ganho de eficiência e diferença entre temperatura geotérmica e ambiente. A comparação dos valores simulados de COP com o COP de Carnot mostrou que este último é sempre maior, como esperado, mas também mostrou que o ganho de COP de Carnot é maior que o ganho simulado apenas no inverno. Conclui-se que o Brasil possui grande potencial de uso das bombas de calor geotérmicas, uma vez que a temperatura do solo é estável e amena, enquanto a temperatura ambiente apresenta grande variação ao longo do ano.
Geothermal heat pumps are broadly used in countries like Canada and USA but scarcely in Brazil, in part because it is not known if soil temperatures are adequate for geothermal systems utilization. The aim of this dissertation is to present soil temperature measurements done in several Paraná State cities, and to determine the geothermal heat pumps performance in comparison to conventional air conditioning systems. Geothermal temperature measurement results are shown for ten cities, representative of different Paraná State soil and climate. The measurements were made yearlong with calibrated equipment and digital data acquisition system in measuring stations installed at the different cities. Geothermal and ambient temperature data were used for performance coefficient simulation, by means of working fluid pressure-enthalpy diagram based software for vapor-compression cycle. Theoretical geothermal system performance was compared to conventional system. It was verified that geothermal temperature measured in all stations between Jan/13 to Oct/13 varied from 16 to 24 °C, while ambient temperature has varied between 2 and 35 °C. The following average COPcooling values were found: 3.7 kW/kW (Toutside) and 5.9 kW/kW (Tgeothermal). For COPheating the found values are: 5.0 kW/kW (Toutside) and 7.9 kW/kW (Tgeothermal). Hence it was verified an average efficiency gain of 59% with geothermal system utilization in comparison with conventional system. In Curitiba e Ponta Grossa the efficiency gain has exceeded 70%. A linear relation was observed between efficiency gain and geothermal and ambient temperature difference. Comparison of simulated and Carnot COP values has shown that the last one is always higher, as expected, but also has shown that Carnot COP gain is higher than simulated COP gain only for the winter. It is concluded that Brazil has great potential for geothermal heat pumps, since soil temperature is stable and mild while ambient temperature shows great variation along the year.
Data da defesa: 28 /03/2014
Banca Examinadora
Orientador(a): Mauricio Pereira Cantão (PRODETEC)
Membro da Banca: Alexandre Rasi Aoki (Lactec)
Membro da Banca: Patricio Rodolfo Impinnisi (Lactec)
Membro da Banca: Luiz Machado (UFMG)
Palavra(s)-Chave: Bombas de Calor Geotérmicas. Refrigeração. Mapa Geotérmico.
Keywords: Geothermal Heat Pumps. Cooling. Geothermal Map.
