Bomba de calor de fonte subterrânea - Ground source heat pump

Uma bomba de calor em combinação com armazenamento de calor e frio

Uma bomba de calor geotérmica (também bomba de calor geotérmica ) é um sistema de aquecimento / resfriamento para edifícios que usa um tipo de bomba de calor para transferir calor de ou para o solo, aproveitando a relativa constância das temperaturas da terra ao longo das estações. As bombas de calor de fonte subterrânea (GSHPs) - ou bomba de calor geotérmica (GHP), como são comumente chamadas na América do Norte - estão entre as tecnologias mais eficientes em termos de energia para fornecer HVAC e aquecimento de água usando muito menos energia do que pode ser alcançado com a queima de um combustível em uma caldeira / forno) ou pelo uso de aquecedores elétricos resistivos .

A eficiência é dada como um coeficiente de desempenho (CoP) que está normalmente na faixa de 3 a 6, o que significa que os dispositivos fornecem de 3 a 6 unidades de calor para cada unidade de eletricidade usada. Os custos de instalação são mais elevados do que para outros sistemas de aquecimento devido à necessidade de instalar loops de aterramento em grandes áreas ou fazer furos e, por esta razão, bombas de calor de fonte de ar são freqüentemente usadas em seu lugar.

História

A bomba de calor foi descrita por Lord Kelvin em 1853 e desenvolvida por Peter Ritter von Rittinger em 1855. Heinrich Zoelly patenteou a ideia de usá-la para extrair calor do solo em 1912.

Depois de experimentar um freezer, Robert C. Webber construiu a primeira bomba de calor de fonte subterrânea de troca direta no final dos anos 1940, no entanto, as fontes discordam quanto ao cronograma exato de sua invenção. O primeiro projeto comercial de sucesso foi instalado no Edifício Commonwealth (Portland, Oregon ) em 1948, e foi designado um marco histórico nacional de engenharia mecânica pela ASME . O professor Carl Nielsen, da Ohio State University, construiu a primeira versão residencial de circuito aberto em sua casa em 1948.

A tecnologia se tornou popular na Suécia na década de 1970 como resultado da crise do petróleo de 1973 e tem crescido lentamente em aceitação mundial desde então. Os sistemas de malha aberta dominaram o mercado até que o desenvolvimento do tubo de polibutileno em 1979 tornou os sistemas de malha fechada economicamente viáveis.

Em 2004, havia mais de um milhão de unidades instaladas em todo o mundo, fornecendo 12 GW de capacidade térmica com uma taxa de crescimento de 10% ao ano. A cada ano, cerca de 80.000 unidades são instaladas nos Estados Unidos e 27.000 na Suécia. Na Finlândia, uma bomba de calor geotérmica foi a escolha de sistema de aquecimento mais comum para novas moradias isoladas entre 2006 e 2011, com participação de mercado superior a 40%.

Arranjo

Arranjo interno

Bomba de calor de líquido para água

A bomba de calor , que é a unidade central que se torna a planta de aquecimento e resfriamento do edifício, vem em duas variantes principais:

As bombas de calor líquido-água (também chamadas de água-água ) são sistemas hidrônicos que transportam aquecimento ou resfriamento através do edifício por meio de tubulações para radiadores convencionais , piso radiante , radiadores de rodapé e tanques de água quente . Estas bombas de calor também são preferidas para aquecimento de piscinas. As bombas de calor normalmente aquecem apenas a água a cerca de 55 ° C (131 ° F) de forma eficiente, enquanto as caldeiras normalmente operam a 65–95 ° C (149–203 ° F). O tamanho dos radiadores projetados para as temperaturas mais altas alcançadas pelas caldeiras pode ser muito pequeno para uso com bombas de calor, exigindo a substituição por radiadores maiores ao reformar uma casa de caldeira para bomba de calor. Quando usada para resfriamento, a temperatura da água circulante deve normalmente ser mantida acima do ponto de orvalho para garantir que a umidade atmosférica não condense no radiador.

As bombas de calor líquido-ar (também chamadas de água-ar ) geram ar forçado e são mais comumente usadas para substituir fornos de ar forçado legados e sistemas centrais de ar condicionado. Existem variações que permitem sistemas divididos, sistemas de alta velocidade e sistemas sem dutos. As bombas de calor não podem atingir uma temperatura de fluido tão alta quanto um forno convencional, portanto, requerem uma taxa de fluxo de volume maior de ar para compensar. Ao reformar uma residência, os dutos existentes podem ter que ser aumentados para reduzir o ruído do fluxo de ar mais alto.

Trocador de calor do solo

Um laço horizontal deslizante antes de ser coberto com solo.

As bombas de calor de fonte subterrânea empregam um trocador de calor subterrâneo em contato com o solo ou água subterrânea para extrair ou dissipar o calor. O projeto incorreto pode resultar no congelamento do sistema após alguns anos ou no desempenho do sistema muito ineficiente; assim, um projeto de sistema preciso é fundamental para um sistema bem-sucedido

A tubulação para o loop de aterramento é normalmente feita de tubo de polietileno de alta densidade e contém uma mistura de água e anticongelante ( propilenoglicol , álcool desnaturado ou metanol ). O monopropilenoglicol tem o menor potencial de dano quando pode vazar para o solo e, portanto, é o único anticongelante permitido em fontes terrestres em um número cada vez maior de países europeus.

Horizontal

Um campo de circuito fechado horizontal é composto de tubos dispostos em um plano no solo. Uma longa trincheira , mais profunda do que a linha de geada , é cavada e bobinas em forma de U ou furtivas são espalhadas dentro da mesma trincheira. Trocadores de calor horizontais rasos de 3–8 pés (0,91–2,44 m) experimentam ciclos sazonais de temperatura devido a ganhos solares e perdas de transmissão para o ar ambiente no nível do solo. Esses ciclos de temperatura ficam para trás em relação às estações devido à inércia térmica, de modo que o trocador de calor irá colher o calor depositado pelo sol vários meses antes, enquanto é pesado no final do inverno e na primavera, devido ao frio acumulado no inverno. Os sistemas em solo úmido ou na água são geralmente mais eficientes do que loops de solo mais secos, pois a água conduz e armazena o calor melhor do que os sólidos na areia ou no solo. Se o solo for naturalmente seco, as mangueiras de imersão podem ser enterradas com o loop de solo para mantê-lo úmido.

Vertical

Perfuração de um furo para aquecimento residencial

Um sistema vertical consiste em uma série de furos de cerca de 50 a 400 pés (15-122 m) de profundidade equipados com tubos em forma de U através dos quais um fluido transportador de calor que absorve (ou descarrega) calor do (ou para) o solo é circulado . Os furos são espaçados pelo menos 5–6 m um do outro e a profundidade depende das características do solo e da construção. Alternativamente, os tubos podem ser integrados com as estacas de fundação usadas para apoiar a construção. Os sistemas verticais dependem da migração de calor da geologia circundante, a menos que sejam recarregados durante o verão e em outras épocas quando o calor excedente estiver disponível. Os sistemas verticais são normalmente usados onde não há terreno disponível suficiente para um sistema horizontal.

Os pares de tubos no orifício são unidos com um conector cruzado em forma de U na parte inferior do orifício ou compreende dois tubos de polietileno de alta densidade (HDPE) de pequeno diâmetro fundidos termicamente para formar uma curva em forma de U na parte inferior. O espaço entre a parede do furo de sondagem e os tubos em forma de U é geralmente totalmente grauteado com material de rejuntamento ou, em alguns casos, parcialmente preenchido com água subterrânea. Para ilustração, uma casa independente que precisa de 10 kW (3 toneladas ) de capacidade de aquecimento pode precisar de três furos de 80 a 110 m (260 a 360 pés) de profundidade.

Perfuração radial ou direcional

Como alternativa à abertura de valas, os loops podem ser colocados por mini- perfuração direcional horizontal (mini-HDD). Esta técnica pode colocar tubulações sob pátios, calçadas, jardins ou outras estruturas sem perturbá-los, com um custo entre os de abertura de valas e perfuração vertical. Este sistema também difere da perfuração horizontal e vertical, pois os loops são instalados a partir de uma câmara central, reduzindo ainda mais o espaço necessário no solo. A perfuração radial costuma ser instalada retroativamente (depois que a propriedade foi construída) devido à natureza pequena do equipamento usado e à capacidade de perfurar sob as construções existentes.

Loop aberto

Em um sistema de circuito aberto (também chamado de bomba de calor de água subterrânea), o circuito secundário bombeia água natural de um poço ou corpo d'água para um trocador de calor dentro da bomba de calor. Uma vez que a química da água não é controlada, o aparelho pode precisar ser protegido contra corrosão usando metais diferentes no trocador de calor e na bomba. O calcário pode sujar o sistema ao longo do tempo e requerem uma limpeza periódica ácido. Este é um problema muito maior com os sistemas de resfriamento do que com os sistemas de aquecimento. Um sistema de poço de coluna em pé é um tipo especializado de sistema de circuito aberto onde a água é retirada do fundo de um poço profundo de rocha, passada por uma bomba de calor e retornada ao topo do poço. Um número crescente de jurisdições proibiu os sistemas de circuito aberto que drenam para a superfície porque podem drenar aqüíferos ou contaminar poços. Isso força o uso de poços de injeção mais ambientalmente corretos ou de um sistema de circuito fechado.

Lago

Sistema de loop de lagoa de 12 toneladas sendo afundado no fundo de uma lagoa

Um circuito fechado de lago consiste em bobinas de tubo semelhantes a um laço furtivo preso a uma estrutura e localizado no fundo de um lago ou fonte de água de tamanho apropriado. Lagoas artificiais são usadas como armazenamento de calor (até 90% eficiente) em algumas plantas de aquecimento solar central , que posteriormente extraem o calor (semelhante ao armazenamento no solo) por meio de uma grande bomba de calor para fornecer aquecimento urbano .

Troca direta (DX)

A bomba de calor geotérmica de troca direta (DX) é o tipo mais antigo de tecnologia de bomba de calor geotérmica, em que o próprio refrigerante passa pelo loop de solo. Desenvolvido durante a década de 1980, esta abordagem enfrentou problemas com o refrigerante e sistema de gerenciamento de óleo, especialmente após a proibição dos refrigerantes CFC em 1989 e os sistemas DX agora são raramente usados.

Instalação

Devido ao conhecimento técnico e ao equipamento necessário para projetar e dimensionar o sistema adequadamente (e instalar a tubulação se a fusão por calor for necessária), a instalação de um sistema GSHP requer os serviços de um profissional. Vários instaladores publicaram visualizações em tempo real do desempenho do sistema em uma comunidade online de instalações residenciais recentes. A International Ground Source Heat Pump Association ( IGSHPA ), a Geothermal Exchange Organization (GEO), a Canadian GeoExchange Coalition e a Ground Source Heat Pump Association mantêm listas de instaladores qualificados nos EUA, Canadá e Reino Unido. Além disso, a análise detalhada da condutividade térmica do solo para sistemas horizontais e da condutividade térmica da formação para sistemas verticais geralmente resultará em sistemas projetados com mais precisão e maior eficiência.

Performance térmica

O desempenho de resfriamento é normalmente expresso em unidades de BTU / hr / watt como a taxa de eficiência de energia (EER), enquanto o desempenho de aquecimento é normalmente reduzido para unidades adimensionais como o coeficiente de desempenho (COP). O fator de conversão é 3,41 BTU / hr / watt. Como uma bomba de calor movimenta três a cinco vezes mais energia térmica do que a energia elétrica que consome, a produção total de energia é muito maior do que a entrada elétrica. Isso resulta em eficiências térmicas líquidas superiores a 300% em comparação com o calor elétrico radiante sendo 100% eficiente. Os fornos de combustão tradicionais e aquecedores elétricos nunca podem exceder 100% de eficiência. As bombas de calor de origem subterrânea podem reduzir o consumo de energia - e as correspondentes emissões de poluição do ar - em até 72% em comparação com o aquecimento por resistência elétrica com equipamento de ar condicionado padrão.

Compressores eficientes, compressores de velocidade variável e trocadores de calor maiores contribuem para a eficiência da bomba de calor. As bombas de calor de fonte subterrânea residencial no mercado hoje têm COPs padrão variando de 2,4 a 5,0 e EERs variando de 10,6 a 30. Para se qualificar para um rótulo Energy Star , as bombas de calor devem atender a certas classificações mínimas de COP e EER que dependem do trocador de calor de solo modelo. Para sistemas de malha fechada, o COP de aquecimento ISO 13256-1 deve ser 3,3 ou maior e o EER de resfriamento deve ser 14,1 ou maior.

Os padrões ARI 210 e 240 definem o Índice de Eficiência Energética Sazonal (SEER) e os Fatores de Desempenho Sazonal de Aquecimento (HSPF) para contabilizar o impacto das variações sazonais nas bombas de calor de fonte de ar. Esses números normalmente não são aplicáveis e não devem ser comparados às classificações da bomba de calor de fonte terrestre. No entanto, o Departamento de Recursos Naturais do Canadá adaptou essa abordagem para calcular os HSPFs ajustados sazonalmente para bombas de calor terrestres no Canadá. Os HSPFs do NRC variaram de 8,7 a 12,8 BTU / hr / watt (2,6 a 3,8 em fatores não dimensionais, ou 255% a 375% da eficiência média sazonal de utilização de eletricidade) para as regiões mais populosas do Canadá.

Para comparar os aparelhos com bomba de calor entre si, independentemente de outros componentes do sistema, algumas condições de teste padrão foram estabelecidas pelo American Refrigerant Institute (ARI) e, mais recentemente, pela International Organization for Standardization . As classificações padrão ARI 330 foram destinadas a bombas de calor de fonte terrestre de circuito fechado e assumem temperaturas de água de circuito secundário de 25 ° C (77 ° F) para ar condicionado e 0 ° C (32 ° F) para aquecimento. Essas temperaturas são típicas de instalações no norte dos Estados Unidos. As classificações padrão ARI 325 foram destinadas a bombas de calor de fonte terrestre de circuito aberto e incluem dois conjuntos de classificações para temperaturas da água subterrânea de 10 ° C (50 ° F) e 21 ° C (70 ° F). O ARI 325 orçamenta mais eletricidade para bombeamento de água do que o ARI 330. Nenhum desses padrões tenta levar em conta as variações sazonais. As classificações padrão ARI 870 destinam-se a bombas de calor de fonte terrestre de troca direta. A ASHRAE fez a transição para o ISO 13256-1 em 2001, que substitui o ARI 320, 325 e 330. O novo padrão ISO produz classificações um pouco mais altas porque não faz mais orçamento de eletricidade para bombas de água.

O solo sem adição ou subtração de calor artificial e a profundidades de vários metros ou mais permanece a uma temperatura relativamente constante durante todo o ano. Esta temperatura equivale aproximadamente à temperatura média anual do ar do local escolhido, geralmente 7–12 ° C (45–54 ° F) a uma profundidade de 6 metros (20 pés) no norte dos Estados Unidos. Como essa temperatura permanece mais constante do que a temperatura do ar ao longo das estações, as bombas de calor de fonte subterrânea funcionam com muito mais eficiência durante temperaturas extremas do ar do que os condicionadores de ar e bombas de calor de fonte de ar.

Análise de transferência de calor

Um desafio em prever a resposta térmica de um trocador de calor do solo (GHE) é a diversidade das escalas de tempo e espaço envolvidas. Quatro escalas espaciais e oito escalas de tempo estão envolvidas na transferência de calor de GHEs. A primeira escala espacial com importância prática é o diâmetro do poço (~ 0,1 m) e o tempo associado é da ordem de 1 hora, durante a qual o efeito da capacidade de calor do material de enchimento é significativo. A segunda dimensão espacial importante é a meia distância entre dois furos adjacentes, que é da ordem de vários metros. O tempo correspondente é da ordem de um mês, durante o qual a interação térmica entre os furos adjacentes é importante. A maior escala de espaço pode ser de dezenas de metros ou mais, como a metade do comprimento de um poço e a escala horizontal de um aglomerado de GHE. A escala de tempo envolvida é tão longa quanto a vida útil de um GHE (décadas).

A resposta horária de curto prazo à temperatura do solo é vital para analisar a energia dos sistemas de bomba de calor de origem subterrânea e para seu controle e operação ideais. Em contraste, a resposta de longo prazo determina a viabilidade geral de um sistema do ponto de vista do ciclo de vida. Abordar o espectro completo de escalas de tempo requer vastos recursos computacionais.

As principais perguntas que os engenheiros podem fazer nos estágios iniciais do projeto de um GHE são (a) qual é a taxa de transferência de calor de um GHE em função do tempo, dada uma diferença de temperatura particular entre o fluido circulante e o solo, e (b ) qual é a diferença de temperatura em função do tempo, dada uma taxa de troca de calor necessária. Na linguagem da transferência de calor, as duas questões podem provavelmente ser expressas como ${\ displaystyle q_ {l} = [T_ {f} (t) -T_ {0}] / R (t)}$

onde T _f é a temperatura média do fluido circulante, T ₀ é a temperatura efetiva e não perturbada do solo, q _l é a taxa de transferência de calor do GHE por unidade de tempo por unidade de comprimento (W / m), e R é a resistência térmica total (m ^. K / W). R ( t ) é frequentemente uma variável desconhecida que precisa ser determinada pela análise de transferência de calor. Apesar de R ( t ) ser uma função do tempo, os modelos analíticos o decompõem exclusivamente em uma parte independente do tempo e uma parte dependente do tempo para simplificar a análise.

Vários modelos para o R independente e dependente do tempo podem ser encontrados nas referências. Além disso, um teste de resposta térmica é frequentemente realizado para fazer uma análise determinística da condutividade térmica do solo para otimizar o tamanho do loopfield, especialmente para locais comerciais maiores (por exemplo, mais de 10 poços).

Armazenamento térmico sazonal

Uma bomba de calor em combinação com armazenamento de calor e frio

A eficiência das bombas de calor de fonte subterrânea pode ser bastante melhorada usando o armazenamento de energia térmica sazonal e a transferência de calor entre as estações. O calor capturado e armazenado em bancos térmicos no verão pode ser recuperado de forma eficiente no inverno. A eficiência do armazenamento de calor aumenta com a escala, portanto, essa vantagem é mais significativa em sistemas de aquecimento comercial ou urbano .

Sistemas combinados geossolares têm sido usados para aquecer e resfriar uma estufa usando um aquífero para armazenamento térmico. No verão, a estufa é resfriada com água subterrânea fria. Isso aquece a água do aquífero, que pode se tornar uma fonte quente de aquecimento no inverno. A combinação de armazenamento de frio e calor com bombas de calor pode ser combinada com regulação de água / umidade. Esses princípios são usados para fornecer calor renovável e resfriamento renovável a todos os tipos de edifícios.

Além disso, a eficiência das pequenas instalações de bombas de calor existentes pode ser melhorada adicionando coletores solares grandes e baratos com água. Estes podem ser integrados em um estacionamento a ser reformado ou em paredes ou construções de telhado instalando tubos de PE de uma polegada na camada externa.

Impacto ambiental

A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) classificou as bombas de calor de fonte subterrânea como os sistemas de condicionamento de espaço mais eficientes em termos de energia, ambientalmente limpos e econômicos disponíveis. As bombas de calor oferecem um potencial significativo de redução de emissões, especialmente onde são usadas para aquecimento e resfriamento e onde a eletricidade é produzida a partir de recursos renováveis.

GSHPs têm eficiências térmicas insuperáveis e produzem zero emissões localmente, mas seu fornecimento de eletricidade inclui componentes com altas emissões de gases de efeito estufa, a menos que o proprietário tenha optado por um fornecimento de energia 100% renovável . Seu impacto ambiental, portanto, depende das características do fornecimento de energia elétrica e das alternativas disponíveis.

Economia anual de gases de efeito estufa (GEE) com o uso de uma bomba de calor de fonte subterrânea em vez de um forno de alta eficiência em uma residência independente (supondo que não haja fornecimento específico de energia renovável)
País	Intensidade de emissões de CO _{2 de} eletricidade	Economia de GEE em relação a
País	Intensidade de emissões de CO _{2 de} eletricidade	gás natural	óleo de aquecimento	aquecimento elétrico
Canadá	223 ton / GWh	2,7 ton / ano	5,3 ton / ano	3,4 ton / ano
Rússia	351 ton / GWh	1,8 ton / ano	4,4 ton / ano	5,4 ton / ano
nós	676 ton / GWh	-0,5 ton / ano	2,2 ton / ano	10,3 ton / ano
China	839 ton / GWh	-1,6 ton / ano	1,0 ton / ano	12,8 ton / ano

A economia de emissões de GEE de uma bomba de calor em um forno convencional pode ser calculada com base na seguinte fórmula:

${\ displaystyle GHG \ Savings = HL \ left ({\ frac {FI} {AFUE \ times 1000 {\ frac {kg} {ton}}}} - {\ frac {EI} {COP \ times 3600 {\ frac { seg} {hr}}}} \ right)}$

HL = carga de calor sazonal ≈ 80 GJ / ano para uma casa independente moderna no norte dos EUA
FI = intensidade de emissões de combustível = 50 kg (CO ₂ ) / GJ para gás natural, 73 para óleo de aquecimento, 0 para energia 100% renovável , como eólica, hídrica, fotovoltaica ou solar térmica
AFUE = eficiência do forno ≈ 95% para um forno de condensação moderno
COP = coeficiente de desempenho da bomba de calor ≈ 3.2 ajustado sazonalmente para bomba de calor do norte dos EUA
EI = intensidade de emissões de eletricidade ≈ 200-800 ton (CO ₂ ) / GWh, dependendo da combinação de usinas elétricas da região (carvão vs gás natural vs nuclear, hídrica, eólica e solar)

As bombas de calor de fonte subterrânea sempre produzem menos gases de efeito estufa do que os condicionadores de ar, fornos a óleo e aquecimento elétrico, mas os fornos a gás natural podem ser competitivos dependendo da intensidade do gás de efeito estufa do fornecimento de eletricidade local. Em países como Canadá e Rússia com infraestrutura de baixa emissão de eletricidade, uma bomba de calor residencial pode economizar 5 toneladas de dióxido de carbono por ano em relação a uma fornalha a óleo, ou quase tanto quanto tirar um carro de passageiros médio das estradas. Mas em cidades como Pequim ou Pittsburgh, que dependem muito do carvão para a produção de eletricidade, uma bomba de calor pode resultar em 1 ou 2 toneladas a mais de emissões de dióxido de carbono do que uma fornalha a gás natural. Para áreas não servidas por infraestrutura de serviço público de gás natural, no entanto, não existe alternativa melhor.

Os fluidos usados em circuitos fechados podem ser projetados para serem biodegradáveis e não tóxicos, mas o refrigerante usado no gabinete da bomba de calor e nos circuitos de troca direta era, até recentemente, o clorodifluorometano , que é uma substância destruidora da camada de ozônio. Embora inofensivos enquanto contidos, os vazamentos e o descarte impróprio no fim da vida útil contribuem para aumentar o buraco na camada de ozônio . Para novas construções, esse refrigerante está sendo eliminado em favor do gás de efeito estufa R410A, que não agride o ozônio, mas é potente . O aquecedor de água EcoCute é uma bomba de calor com fonte de ar que usa dióxido de carbono como fluido de trabalho em vez de clorofluorocarbonos . Os sistemas de circuito aberto (ou seja, aqueles que puxam água subterrânea em oposição aos sistemas de circuito fechado usando um trocador de calor de poço) precisam ser equilibrados reinjetando a água gasta. Isso evita o esgotamento do aqüífero e a contaminação do solo ou das águas superficiais com salmoura ou outros compostos do subsolo.

Antes da perfuração, a geologia subterrânea precisa ser entendida e os perfuradores precisam estar preparados para selar o poço, incluindo a prevenção da penetração de água entre os estratos. O infeliz exemplo é um projeto de aquecimento geotérmico em Staufen im Breisgau , Alemanha, que parece ser a causa de danos consideráveis em edifícios históricos lá. Em 2008, foi relatado que o centro da cidade subiu 12 cm, depois de afundar inicialmente alguns milímetros. A perfuração atingiu um aqüífero naturalmente pressurizado e, através do poço, essa água entrou em uma camada de anidrita, que se expande quando molhada à medida que forma gesso. O inchaço parará quando a anidrita reagir totalmente, e a reconstrução do centro da cidade "não é conveniente até que a elevação cesse". Em 2010, a vedação do poço não havia sido realizada. Em 2010, algumas seções da cidade aumentaram 30 cm.

Economia

As bombas de calor de fonte subterrânea são caracterizadas por altos custos de capital e baixos custos operacionais em comparação com outros sistemas HVAC . Seu benefício econômico geral depende principalmente dos custos relativos de eletricidade e combustíveis, que são altamente variáveis ao longo do tempo e em todo o mundo. Com base em preços recentes, as bombas de calor de fonte subterrânea atualmente têm custos operacionais mais baixos do que qualquer outra fonte de aquecimento convencional em quase todo o mundo. O gás natural é o único combustível com custos operacionais competitivos e apenas em alguns países onde é excepcionalmente barato ou onde a eletricidade é excepcionalmente cara. Em geral, um proprietário pode economizar de 20% a 60% ao ano em serviços públicos, mudando de um sistema comum para um sistema de aterramento.

Os custos de capital e a vida útil do sistema receberam muito menos estudos até recentemente, e o retorno sobre o investimento é altamente variável. Os dados mais recentes de uma análise de pagamentos de incentivos de 2011-2012 no estado de Maryland mostraram um custo médio de sistemas residenciais de $ 1,90 por watt, ou cerca de $ 26.700 para um sistema doméstico típico (4 ton / 14 kW). Um estudo mais antigo descobriu que o custo total instalado para um sistema com capacidade térmica de 10 kW (3 toneladas) para uma residência rural independente nos EUA era em média de $ 8.000– $ 9.000 em dólares americanos de 1995. Estudos mais recentes encontraram um custo médio de $ 14.000 em dólares americanos de 2008 para o mesmo tamanho de sistema. O Departamento de Energia dos Estados Unidos estima um preço de $ 7.500 em seu site, atualizado pela última vez em 2008. Uma fonte no Canadá colocou preços na faixa de $ 30.000 a $ 34.000 dólares canadenses. A rápida escalada no preço do sistema foi acompanhada por melhorias rápidas em eficiência e confiabilidade. Os custos de capital são conhecidos por se beneficiarem de economias de escala, especialmente para sistemas de malha aberta, portanto, são mais econômicos para edifícios comerciais maiores e climas mais adversos. O custo inicial pode ser de duas a cinco vezes o de um sistema de aquecimento convencional na maioria das aplicações residenciais, novas construções ou existentes. Em retrofits, o custo de instalação é afetado pelo tamanho da área residencial, a idade da casa, as características de isolamento, a geologia da área e a localização da propriedade. O projeto adequado do sistema de dutos e a troca mecânica de ar devem ser considerados no custo inicial do sistema.

Período de retorno para a instalação de uma bomba de calor de fonte subterrânea em uma residência independente
País	Período de retorno para substituição
País	gás natural	óleo de aquecimento	aquecimento elétrico
Canadá	13 anos	3 anos	6 anos
nós	12 anos	5 anos	4 anos
Alemanha	prejuízo líquido	8 anos	2 anos
Notas: Altamente variável com os preços da energia. Subsídios governamentais não incluídos. Diferenças climáticas não avaliadas.

Os custos de capital podem ser compensados por subsídios do governo; por exemplo, Ontário ofereceu $ 7000 para sistemas residenciais instalados no ano fiscal de 2009. Algumas empresas elétricas oferecem tarifas especiais para clientes que instalam uma bomba de calor de fonte subterrânea para aquecer ou resfriar seus edifícios. Onde as usinas elétricas têm cargas maiores durante os meses de verão e capacidade ociosa no inverno, isso aumenta as vendas de eletricidade durante os meses de inverno. As bombas de calor também reduzem o pico de carga durante o verão devido ao aumento da eficiência das bombas de calor, evitando assim a construção onerosa de novas usinas. Pelas mesmas razões, outras empresas de serviços públicos começaram a pagar pela instalação de bombas de calor de fonte subterrânea nas residências dos clientes. Eles alugam os sistemas para seus clientes por uma taxa mensal, com uma economia geral líquida para o cliente.

A vida útil do sistema é maior do que os sistemas convencionais de aquecimento e resfriamento. Bons dados sobre a vida útil do sistema ainda não estão disponíveis porque a tecnologia é muito recente, mas muitos dos primeiros sistemas ainda estão operacionais hoje após 25-30 anos com manutenção de rotina. A maioria dos campos de loop tem garantias de 25 a 50 anos e espera-se que dure pelo menos 50 a 200 anos. As bombas de calor subterrâneas usam eletricidade para aquecer a casa. O investimento mais alto acima do óleo convencional, propano ou sistemas elétricos pode ser retornado em economia de energia em 2–10 anos para sistemas residenciais nos EUA. Se comparado aos sistemas de gás natural, o período de retorno do investimento pode ser muito mais longo ou inexistente. O período de retorno para sistemas comerciais maiores nos EUA é de 1 a 5 anos, mesmo quando comparado ao gás natural. Além disso, como as bombas de calor geotérmicas geralmente não têm compressores externos ou torres de resfriamento, o risco de vandalismo é reduzido ou eliminado, potencialmente estendendo a vida útil do sistema.

As bombas de calor subterrâneas são reconhecidas como um dos sistemas de aquecimento e refrigeração mais eficientes do mercado. Eles costumam ser a segunda solução mais econômica em climas extremos (após a cogeração ), apesar das reduções na eficiência térmica devido à temperatura do solo. (A fonte no solo é mais quente em climas que precisam de ar condicionado forte e mais fria em climas que precisam de forte aquecimento.) A viabilidade financeira desses sistemas depende do dimensionamento adequado dos trocadores de calor do solo (GHEs), que geralmente contribuem mais para o custos de capital globais dos sistemas GSHP.

Os custos de manutenção de sistemas comerciais nos EUA têm estado historicamente entre $ 0,11 a $ 0,22 por m ² por ano em dólares de 1996, muito menos do que a média de $ 0,54 por m ² por ano para sistemas HVAC convencionais.

Os governos que promovem a energia renovável provavelmente oferecerão incentivos para os mercados de consumo (residencial) ou industrial. Por exemplo, nos Estados Unidos, os incentivos são oferecidos nos níveis estadual e federal de governo. No Reino Unido, o Incentivo de Calor Renovável fornece um incentivo financeiro para a geração de calor renovável com base em leituras medidas em uma base anual por 20 anos para edifícios comerciais. O incentivo de calor renovável doméstico deve ser introduzido na primavera de 2014 por sete anos e se basear no calor considerado.

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