Sistemas de aquecimento geotérmico para casas de campo: particularidades da instalação com as próprias mãos

Sabemos que a geotermia é o calor da Terra, e o conceito de “geotérmico” costuma ser associado por nós a vulcões e gêiseres. Na Rússia, a energia geotérmica é usada principalmente em escala industrial; por exemplo, existem usinas de energia no Extremo Oriente que operam com base no calor do nosso planeta.

Muitos têm certeza de que fazer o aquecimento geotérmico da casa com as próprias mãos é algo do campo da ficção. Não é mesmo? Mas isso não é verdade! Com o desenvolvimento das tecnologias modernas, o uso doméstico da “energia verde” tornou-se totalmente real.

Falaremos sobre os princípios de funcionamento do aquecimento alternativo, suas vantagens e desvantagens, e faremos uma comparação com os sistemas de aquecimento tradicionais. Você também aprenderá sobre as formas de posicionar o trocador de calor e como montar o aquecimento geotérmico com as próprias mãos.

Alguns fatos históricos

Quando, na década de 70 do século passado, eclodiu a crise do petróleo, no Ocidente surgiu uma necessidade urgente de fontes alternativas de energia. Foi exatamente nessa época que os primeiros sistemas de aquecimento geotérmico começaram a ser criados.

Hoje eles se difundiram amplamente nos Estados Unidos, no Canadá e nos países da Europa Ocidental.

Por exemplo, na Suécia, utiliza-se ativamente a água do Mar Báltico, cuja temperatura é de +4°C. Na Alemanha, a implementação de sistemas de aquecimento geotérmico é até patrocinada a nível estatal.

Ao mencionar fontes de energia geotérmica, sempre imaginamos um vale de gêiseres ou vulcões, mas as fontes de que precisamos estão muito mais próximas. E elas nos ajudarão a nos aquecer no inverno e a nos refrescar no verão.

Na Rússia, estão em operação as usinas geotérmicas Pauzhetskaya, Verkhne-Mutnovskaya, Okeanskaya e outras. Mas há muito poucos casos de uso da energia da Terra no nosso setor privado.

Vantagens e desvantagens reais

Se na Rússia o aquecimento geotérmico do setor privado teve uma difusão relativamente pequena, isso significa que a ideia não vale o custo de sua implementação? Talvez nem valha a pena se ocupar dessa questão? Acontece que não é assim.

O uso do sistema de aquecimento geotérmico residencial é uma solução vantajosa. E há várias razões para isso. Entre elas, a rápida instalação do equipamento, que é capaz de funcionar por longo tempo sem qualquer interrupção.

Se for utilizado no sistema de aquecimento não água, mas um anticongelante de qualidade, ele não congelará e seu desgaste será mínimo.

Listemos também outras vantagens deste tipo de aquecimento.

• Procedimento de queima de combustível excluído. Criamos um sistema absolutamente à prova de fogo que, durante sua operação, não poderá causar nenhum dano à residência. Além disso, uma série de outros aspectos relacionados à presença de combustível são eliminados: agora não é necessário procurar um local para armazená-lo, nem se ocupar de sua preparação ou entrega.
• Benefício econômico substancial. Durante a operação do sistema, não serão necessários investimentos adicionais. O aquecimento anual é fornecido pelas forças da natureza, que não compramos. Claro, durante o funcionamento da bomba de calor, consome-se energia elétrica, mas o volume de energia produzida supera significativamente o volume consumido.
• Fator ecológico. O aquecimento geotérmico de uma casa de campo particular é uma solução ecologicamente segura. A ausência do processo de combustão elimina a emissão de produtos de combustão para a atmosfera. Se muitos perceberem isso e tal sistema de fornecimento de calor tiver a devida difusão generalizada, a influência negativa dos seres humanos sobre a natureza será reduzida muitas vezes.
• Compacidade do sistema. Você não precisará organizar uma sala de caldeira separada em sua casa. Tudo o que será necessário é uma bomba de calor, que pode ser colocada, por exemplo, no porão. O circuito mais volumoso do sistema estará localizado no subsolo ou debaixo d'água, você não o verá na superfície do seu terreno.
• Multifuncionalidade. O sistema pode funcionar tanto para aquecimento na estação fria quanto para resfriamento durante o calor do verão. Ou seja, na prática, ele substituirá não apenas o aquecedor, mas também o ar condicionado.
• Conforto acústico. A bomba de calor funciona praticamente sem ruído.

A escolha de um sistema de aquecimento geotérmico é economicamente vantajosa, apesar de ser necessário gastar com a compra e instalação do equipamento.

Aliás, como desvantagem do sistema, mencionam-se justamente os custos que serão necessários para instalar o sistema e prepará-lo para operação. Será necessário comprar a própria bomba e alguns materiais, realizar os trabalhos de instalação do coletor externo e do circuito interno.

Não é segredo que os recursos ficam mais caros a cada ano, portanto, um sistema de aquecimento autônomo que pode se pagar em alguns anos sempre será economicamente vantajoso para seu proprietário.

No entanto, esses custos são recuperados em apenas alguns primeiros anos de operação. O uso posterior do coletor enterrado no solo ou submerso em água permite economizar quantias significativas.

Além disso, o próprio processo de instalação não é tão complexo a ponto de exigir a contratação de especialistas externos. Se não envolver perfuração, todo o resto pode ser feito por conta própria.

Deve-se notar que alguns artesãos, em busca de economia, aprenderam a montar uma bomba de calor geotérmica por conta própria.

Sobre as fontes de aquecimento geotérmico

Para aquecimento geotérmico, podem ser usadas as seguintes fontes de energia térmica terrestre:

• de alta temperatura;
• de baixa temperatura.

As fontes de alta temperatura incluem, por exemplo, fontes termais. Elas podem ser usadas, mas sua aplicação é limitada ao local real onde essas fontes estão localizadas.

Se na Islândia esse tipo de energia é usado ativamente, na Rússia as águas termais estão longe de áreas povoadas. Elas estão maximamente concentradas em Kamchatka, onde a água subterrânea é usada como fluido de transferência de calor e fornecida para sistemas de água quente sanitária.

Para usar eficientemente a energia térmica da terra, não é necessário um vulcão. Basta usar os recursos que estão a apenas 200 metros da superfície terrestre.

Por outro lado, para a aplicação de fontes de baixa temperatura, temos todas as pré-condições necessárias. Para esse fim, as massas de ar ambiente, o solo ou a água são adequados.

Para extrair a energia necessária, utiliza-se uma bomba de calor. Com ela, ocorre o processo de conversão da temperatura ambiente em energia térmica não apenas para aquecimento, mas também para abastecimento de água quente de uma residência particular.

Princípio de funcionamento desse aquecimento

Se você está familiarizado com o funcionamento de um ar condicionado ou geladeira, a semelhança desses processos com o princípio de funcionamento do aquecimento geotérmico é evidente. A base do sistema é uma bomba de calor, que está conectada a dois circuitos – externo e interno.

Para organizar um sistema tradicional de aquecimento em qualquer casa, é necessário instalar tubos para transportar o fluido térmico e radiadores que, ao aquecerem, liberam calor nos ambientes. No nosso caso, também são necessários tubos e radiadores. Eles formam o circuito interno do sistema. Podem ser adicionados pisos aquecidos ao esquema.

O circuito externo parece muito maior que o interno, embora suas dimensões só possam ser avaliadas durante o planejamento e instalação. Durante a operação, ele fica invisível, pois está localizado no subsolo ou debaixo d'água. Dentro deste circuito circula água comum ou anticongelante à base de etilenoglicol, o que é muito mais preferível.

O sistema de aquecimento geotérmico é composto por dois circuitos – interno e externo, bem como o coração do sistema de aquecimento – a bomba de calor, que, ao comprimir o fluido térmico, aumenta sua temperatura (+)

Assim, o elemento-chave que dá vida a todo o sistema é a bomba de calor. Se na sua casa há uma máquina de lavar comum, saiba que esta bomba ocupará aproximadamente a mesma área.

Para funcionar, ela precisa de energia elétrica, mas consumindo apenas 1 kW, fornece a produção de 4-5 kW de calor. E isso não é um milagre, pois a fonte de energia 'adicional' é conhecida – é o meio ambiente.

Dois tipos de posicionamento do trocador de calor

Existem duas opções de aquecimento de uma casa particular usando energia de baixa temperatura de elementos do meio ambiente. A base do sistema em todos os três casos é a bomba geotérmica.

O circuito interno permanece inalterado para qualquer método de aquecimento, e a principal diferença está na localização do circuito externo.

O aquecimento geotérmico pode ter o trocador de calor localizado:

• verticalmente – localizados em poços, que atingem ou não atingem o aquífero;
• horizontalmente – os trocadores de calor dos sistemas são instalados em uma escavação ou em um corpo d'água aberto, na forma de uma serpentina.

Cada um dos tipos de aquecimento aqui apresentados possui suas próprias características, desvantagens e vantagens.

Se você pretende criar esse sistema de aquecimento com suas próprias mãos, terá interesse em saber mais sobre cada um dos tipos.

Opção nº 1. Posicionamento vertical do coletor externo

Este tipo de aquecimento baseia-se num interessante fenômeno natural: a uma profundidade de 50-100 m ou mais da superfície, a terra tem a mesma temperatura constante de 10-12°C durante todo o ano.

Para poder usar essa energia da terra, é necessário perfurar poços verticais. A tecnologia é praticamente análoga à preparação de uma fonte de captação de água.

Com o objetivo de preservar ao máximo a paisagem, é possível perfurar vários tubos a partir de um mesmo ponto de partida, mas em ângulos diferentes.

O circuito externo do sistema será montado diretamente nesses poços. Isso permitirá extrair eficientemente o calor da terra. É claro que esse método dificilmente pode ser chamado de simples e de baixo custo.

Para criar um sistema de aquecimento geotérmico vertical, é necessário usar equipamentos de perfuração de poços; sem o uso de uma sonda de perfuração, a resolução das tarefas de instalação do sistema será bastante trabalhosa (+).

Ele é relevante no caso em que a área adjacente à casa já está urbanizada e a perturbação da sua paisagem não é aconselhável. A profundidade de perfuração do poço pode variar de 50 a 200 metros.

Os parâmetros específicos do poço dependem das condições geológicas do terreno e dos parâmetros da futura estrutura. A vida útil dessa construção é de aproximadamente 100 anos.

Para instalar a versão vertical do sistema com um trocador de calor que extrai energia da água subterrânea, será necessário perfurar dois poços aquíferos.

De um deles, chamado poço de produção, a água é extraída por meio de uma bomba. Após a transferência de calor, a água é despejada no segundo poço, chamado de poço de recepção.

A desvantagem do sistema geotérmico com dois poços é a eficiência insuficiente para aquecer uma casa de campo. A bomba de circulação consome muita energia. No entanto, para fornecer o fluido térmico ao circuito do piso radiante, a energia térmica obtida é suficiente.

Opção nº 2. Posicionamento horizontal do coletor de solo

Para instalar o circuito externo no tipo de aquecimento horizontal, é necessário saber a profundidade de congelamento do solo na sua região.

Os tubos são colocados abaixo do nível de congelamento em valas previamente preparadas, ocupando uma área considerável: para aquecer uma casa com área de 200 a 250 m², são necessários aproximadamente 600 m² de trocador de calor. Ou seja, seiscentos metros quadrados.

A desvantagem dessa construção é a grande área que ocupa. Se você precisa de um gramado coberto de grama e flores no terreno, esta é a sua opção. Já os tubos do coletor devem ser mantidos longe das árvores frutíferas (+)

É claro que, nessas condições, o volume de terraplenagem será significativo. Além disso, é necessário considerar no plano a localização das árvores e outras plantas no terreno para não congelá-las. Por exemplo, os tubos do coletor não podem ser colocados a menos de um metro e meio das árvores.

Este método de instalação é geralmente usado quando o terreno está apenas sendo preparado para construção. É melhor realizar todos os cálculos e planos para a construção da casa, a organização do seu aquecimento e o planejamento do terreno simultaneamente.

Imersão do trocador de calor horizontal em um corpo d'água

Este método requer uma localização especial da propriedade – a uma distância de aproximadamente 100 m de um corpo d'água com profundidade suficiente. Além disso, esse corpo d'água não deve congelar até o fundo, onde o circuito externo do sistema será instalado. Para isso, a área do corpo d'água não pode ser inferior a 200 m².

Esta opção de posicionamento do trocador de calor é considerada a menos dispendiosa, mas tal localização da propriedade ainda é rara. Além disso, podem surgir dificuldades se o corpo d'água for de uso público.

A vantagem óbvia deste método é a ausência de trabalhos de escavação obrigatórios e intensivos, embora a instalação subaquática do coletor ainda exija esforço. E também será necessária uma autorização especial para realizar esses trabalhos.

No entanto, a instalação geotérmica que utiliza a energia da água é, afinal, a mais econômica.

Com as próprias mãos: o quê e como

Se for instalar o aquecimento geotérmico por conta própria, é melhor comprar o circuito externo já pronto. Claro, consideramos apenas os métodos de posicionamento horizontal do trocador de calor externo: sob a superfície do solo ou debaixo d'água.

O coletor vertical em poço é muito mais difícil de instalar por conta própria, a menos que você tenha equipamento e habilidades de perfuração.

A bomba de calor não é um equipamento muito grande. Em sua casa, não ocupará muito espaço. Afinal, seu tamanho é comparável, por exemplo, a uma caldeira comum de combustível sólido. Conectá-la ao circuito interno da sua casa é uma tarefa simples.

Na verdade, tudo é feito exatamente como na organização e distribuição do aquecimento com fontes de calor tradicionais. A principal dificuldade é a instalação do circuito externo.

Essa localização da casa em relação ao lago é mais comum. O principal é que o corpo d'água não esteja a mais de 100 metros da casa.

A melhor opção é usar um corpo d'água, se houver um a uma distância de no máximo 100 m. É necessário que sua área ultrapasse 200 m² e sua profundidade seja superior a 3 m (parâmetro médio de congelamento). Se esse corpo d'água não for de sua propriedade, a obtenção de autorização para seu uso pode ser um problema.

Se o corpo d'água for um lago que está em sua propriedade, o processo se simplifica. A água do lago pode ser temporariamente bombeada. Assim, os trabalhos no fundo podem ser realizados facilmente: será necessário colocar os tubos em espiral, fixando-os nessa posição.

Os trabalhos de terraplanagem serão necessários apenas para escavar uma vala, necessária para a conexão do circuito externo à bomba de calor.

Após a conclusão de todos os trabalhos, o lago pode ser novamente preenchido com água. Nos próximos cem anos, o trocador de calor externo deve funcionar corretamente e não causar problemas ao seu proprietário.

Se você possui um terreno onde ainda irá construir uma casa e cultivar um jardim, faz sentido planejar um trocador de calor horizontal do tipo solo.

Para isso, deve-se fazer um cálculo preliminar da área do futuro coletor, com base nos parâmetros já indicados acima: 250-300 m² de coletor para cada 100 m² de área aquecida da casa.

Se você recebeu um terreno sem construções e vegetação que gostaria de preservar, o solo durante a construção do circuito externo horizontal de solo pode simplesmente ser removido: é mais fácil do que cavar valas.

As valas onde serão colocados os tubos do circuito devem ser cavadas abaixo do nível de congelamento do solo.

E ainda melhor – simplesmente remover o solo até a profundidade de congelamento, colocar os tubos e depois devolver o solo ao lugar. O trabalho é árduo e complexo, mas com grande desejo e determinação, você conseguirá realizá-lo.

Custos e perspectivas de retorno do investimento

Os gastos com equipamentos e sua instalação durante a construção do aquecimento geotérmico dependem da potência do aparelho e do fabricante.

Cada um escolhe o fabricante guiado por suas próprias considerações e informações sobre a reputação e confiabilidade de determinada marca. Já a potência depende da área do ambiente a ser aquecido.

Esta figura reflete brevemente toda a essência do benefício obtido com o uso de um sistema de aquecimento geotérmico. É exatamente essa proporção de energia de entrada e saída que permite que o sistema primeiro se pague rapidamente e, em seguida, economize dinheiro para seu proprietário (+)

Se considerarmos apenas a potência, o custo das bombas de calor varia nas seguintes faixas:

• para 4-5 kW – 3000-7000 unidades convencionais;
• para 5-10 kW – 4000-8000 unidades convencionais;
• para 10-15 kW – 5000-10000 unidades convencionais.

Se a esse valor somarmos os custos necessários para a realização dos trabalhos de instalação (20-40%), obteremos um valor que parecerá absolutamente irreal para muitos.

Mas todos esses custos se pagarão em prazos bastante aceitáveis. Depois, você só precisará pagar as despesas insignificantes com a eletricidade necessária para o funcionamento da bomba. E é só isso!

Devido à eficiência insuficiente dos sistemas geotérmicos para aquecimento de edifícios residenciais, eles são usados como complemento às redes de aquecimento principais ou são construídos de forma complexa com dois ou mais trocadores de calor

Como mostra a prática, o aquecimento geotérmico é especialmente vantajoso para casas cuja área total aquecida é de 150 m². Em cinco a oito anos, todos os custos de instalação dos sistemas de aquecimento nessas casas são totalmente recuperados.

Se o aquecimento geotérmico não é muito procurado entre os proprietários de casas particulares, a eficiência dos sistemas heliotérmicos já foi apreciada pelos moradores das regiões sul. A tecnologia de construção de aquecimento solar é bastante simples, e sua economia e praticidade são confirmadas por anos de experiência de uso em países ocidentais e por nossos compatriotas.

Informações adicionais sobre fontes alternativas de energia são apresentadas neste artigo.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Se você prefere informações visuais, este vídeo permitirá que você veja com seus próprios olhos como exatamente funciona um sistema geotérmico, e também saiba mais sobre para quem e por que este tipo de aquecimento é vantajoso.

Sugerimos que você assista a um pequeno vídeo no qual o proprietário de um coletor horizontal subterrâneo conta suas impressões sobre sua operação. Além disso, ao assistir este vídeo, você ficará sabendo sobre os custos correntes associados à operação do sistema de aquecimento geotérmico.

Cada proprietário de uma casa particular escolhe por si mesmo se deve comprar serviços de organizações fornecedoras de recursos ou contar apenas consigo mesmo. Ele se baseia em uma série de considerações.

O objetivo que estabelecemos não é levá-lo a uma conclusão pronta, mas compartilhar informações sobre as opções para resolver o problema que você enfrenta.

Tem algo a acrescentar ou surgiram dúvidas sobre o tema do aquecimento geotérmico de uma casa particular? Pode deixar comentários na publicação. O formulário de contato está no bloco inferior.