Bombas de calor geotérmicas

Em 2017, a Universidade de Ball State em Indiana fechou a última das quatro caldeiras a carvão que aqueciam seu campus por décadas. Em seu lugar, perfurou cerca de 3.600 poços sob seus terrenos e os conectou, por meio de duas estações de energia, a bombas de calor que aquecem e resfriam o campus. O sistema custou cerca de US$ 65 milhões, e a universidade se comprometeu a cortar suas emissões de gases do efeito estufa em quase 80.000 toneladas por ano (Wikipedia, Ball State University).

Uma bomba de calor geotérmica não é uma nova fonte de energia. É um multiplicador: usa eletricidade para mover o calor que já está no solo para um edifício e fornece de três a cinco unidades de calor por cada unidade de eletricidade que utiliza (IEA, 2022). É maduro, confiável e silencioso. Também é caro de instalar, e é por isso que esta página passa tanto tempo no custo quanto na física.

O que é

Uma bomba de calor geotérmica tem três partes: a loop de terra de tubo plástico enterrado em valas ou deixado cair em poços, cheio de água e anticongelante; bomba de calor do tamanho de uma geladeira, geralmente dentro de casa; e um sistema de distribuição de calor, tais como radiadores ou aquecimento de piso. No inverno, o fluido no circuito capta calor do solo e a bomba de calor concentra-o em 35 a 55 °C para a casa. No verão, a mesma máquina pode funcionar em sentido inverso, arrefecendo o edifício e colocando calor de volta no solo.

Pequenas casas com jardins podem usar loops horizontais colocados de 1 a 2 m de profundidade. A maioria dos outros edifícios utilizam furos verticais, tipicamente de 15 a 150 m de profundidade; uma casa isolada que necessita de 10 kW de calor pode precisar de três furos de 80 a 110 m (Wikipedia, Bomba de calor de fonte terrestre). Ruas inteiras e campi podem compartilhar um campo de furos através de uma rede térmica de água: um circuito de água à temperatura ambiente que liga vários edifícios, cada um com a sua própria bomba de calor.

Como funciona?

Uma bomba de calor é um frigorífico virado do avesso. Um fluido de trabalho (o refrigerante) evapora a baixa temperatura em um trocador de calor conectado ao circuito de terra, absorvendo o calor. Um compressor comprime o vapor, que aumenta a sua temperatura. Em um segundo trocador de calor, ele condensa e libera esse calor na água que vai para os radiadores. Uma válvula de expansão reduz a pressão e o ciclo começa novamente.

O multiplicador. O calor entregue dividido pela eletricidade utilizada é o coeficiente de desempenho, COP. O melhor que qualquer bomba de calor pode fazer é o COP Carnot:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), com temperaturas em kelvin.

Fornecer água a 40 °C (313 K) do solo a 5 °C (278 K) após perdas no trocador de calor dá 313 / 35 ≈ 8.9. Máquinas reais atingem aproximadamente metade da figura de Carnot, ou seja, cerca de 4.5. Duas coisas seguem diretamente da equação:

• O elevador importa mais do que qualquer coisa. Cada grau entre a fonte e os radiadores custa eficiência. Aumentar a temperatura do fluxo de 35 °C para 55 °C reduz o nosso COP modelado da fonte terrestre de cerca de 4,5 para 3,0. Radiadores maiores ou aquecimento por piso radiante, que funcionam em temperaturas mais baixas, tornam cada bomba de calor melhor.
• A temperatura da fonte importa. O ar exterior está mais frio exatamente quando o calor é mais necessário. A −7 °C e 55 °C de fluxo, uma unidade de fonte de ar em nosso modelo cai para cerca de 2,3; o solo, a cerca de 10 °C, dá 3,0 na mesma temperatura de fluxo. Essa é toda a vantagem do terreno.

O chão é uma bateria lenta. A poucos metros de profundidade, as oscilações diárias desaparecem; a 10 a 20 m o solo está próximo da temperatura média anual do ar local e mais fundo ele se aquece em cerca de 0,025 °C por metro (Wikipedia, Bomba de calor geotérmica). O calor nele vem principalmente do sol aquecendo a superfície, não do núcleo da Terra. Um poço que só extrai calor esfria lentamente a rocha ao seu redor ao longo dos anos, e um campo de poços muito denso pode esfriar mais rápido do que o solo se recupera. Colocar o calor de volta no verão, arrefecendo os edifícios, mantém o equilíbrio. É por isso que as redes compartilhadas que misturam cargas de aquecimento e resfriamento funcionam tão bem.

O número sazonal. O COP em uma folha de especificações é medido em uma condição de teste. O que importa é o fator de desempenho sazonal (SPF): o calor fornecido durante um ano inteiro dividido por toda a eletricidade utilizada, incluindo bombas e aquecedores de reserva. Os testes de campo medem o FPS, e ele é sempre menor do que o COP do laboratório.

Os limites

• Física. O limite de Carnot limita o COP para um determinado elevador; nenhum refrigerante ou compressor escapa dele. As máquinas reais já estão em cerca de metade disso, e as melhores um pouco mais.
• Capacidade do solo. Cada metro de furo pode fornecer apenas algumas dezenas de watts de calor, dependendo da rocha e das águas subterrâneas, portanto a demanda de calor de um edifício determina quantos metros devem ser perfurados. A perfuração é o maior custo único.
• Espaço e acesso. As plataformas de perfuração precisam de acesso; blocos urbanos densos, edifícios classificados e pequenos lotes podem não ter onde perfurar.
• Construção de qualidade. Uma casa com vazamentos e radiadores pequenos precisa de uma temperatura de fluxo alta, o que reduz o COP; isolamento e emissores maiores geralmente vêm em primeiro lugar.
• Preços da eletricidade. O custo de funcionamento depende do preço da eletricidade dividido pelo preço do combustível que substitui. Onde a eletricidade custa mais de três vezes mais do que o gás por kWh, como no Reino Unido, a bomba de calor precisa de um COP anual próximo de 3 apenas para compensar os custos operacionais.
• Habilidades. Um bom projeto e comissionamento fazem uma grande diferença para o SPF real, e as habilidades do instalador são escassas em muitos países.

Projetos reais, medidos

Projeto	Onde, quando e como	Escala	O que é relatado
Teste de campo Fraunhofer ISE, WPsmart em estoque	Alemanha, casas existentes construídas entre 1850 e 2001, monitoramento de 2017	Sistemas de fonte aérea e de fonte terrestre em residências ocupadas	FPS anual: fonte terrestre cerca de 4,1 (varia entre 3,3 e 4,7), fonte aérea cerca de 3,1 (varia entre 2,5 e 3,8) (Fraunhofer ISE)
Sistema geotérmico da Universidade de Ball State	Muncie, Indiana, EUA, concluído em 2017	Cerca de 3.600 furos, duas estações de energia, cerca de US $ 65 milhões	Substituiu todas as quatro caldeiras a carvão; a universidade comprometeu-se a emitir quase 80.000 toneladas por ano menos de gases do efeito estufa (Wikipedia)
Eversource piloto geotérmico em rede	Framingham, Massachusetts, EUA, 2024	Cerca de três dúzias de casas e edifícios municipais em um loop de uma milha	Primeira rede térmica de utilidade pública nos EUA; um prédio da administração escolar, uma estação de bombeiros e habitação pública entre os usuários; cerca de US $ 18,6 milhões; a rede está planejada para dobrar de tamanho (PBS NewsHour, 2025)
Rio de Janeiro State University geo-exchange	Grand Junction, Colorado, Estados Unidos	16 edifícios, 1.2 milhões de pés quadrados, em um loop ambiental compartilhado	Fornece 90% do aquecimento e resfriamento do campus; a universidade relata US$ 1,5 milhão por ano em economia de energia (estudo de caso do DOE dos EUA)
Esquema de atualização da caldeira	Inglaterra e País de Gales, 2022 a 2026	82.651 subsídios pagos para bombas de calor e caldeiras de biomassa até abril de 2026	A fonte de terra é uma pequena minoria: 98% das aplicações foram para bombas de calor ar-água (DESNZ, 2026)

As redes de aquecimento de quinta geração da Europa, laços de temperatura ambiente que compartilham calor entre edifícios através de bombas de calor individuais, foram revisadas em dezenas de locais (Buffa et al., 2019). A sua eficiência depende muito do equilíbrio entre as exigências de aquecimento e arrefecimento.

O que custa

Uma bomba de calor não gera eletricidade, portanto a comparação com nosso benchmark em todo o local (solar no telhado a cerca de $0,19 por kWh No meio do caminho Modelo de parede do fã, dentro da faixa de Lazard para junho de 2026 $0.09 to $0,20 para solar comercial em telhados) é indireta: uma bomba de calor geotérmica transforma cada kWh dessa eletricidade solar em cerca de quatro kWh de calor. O concorrente direto é uma caldeira a gás, e a medida justa é o custo por kWh de calor, incluindo a instalação.

Usamos os números do Reino Unido porque são públicos e recentes: custos medianos instalados do Boiler Upgrade Scheme para janeiro a março de 2026 (£ 27.352 para fonte terrestre, £ 13.100 para fonte de ar, ambos incluindo IVA) (DESNZ); o subsídio de £7.500; taxas unitárias de preço-cap para outubro a dezembro de 2026 de 26,32p por kWh de eletricidade e 7,97p por kWh de gás (Ofgem); os SPFs de campo Fraunhofer; uma casa usando 12.000 kWh de calor por ano; e 20 anos a uma taxa de desconto real de 7%, como na nossa página de vento.Para a caldeira a gás, assumimos £3.000 instalados e 90% de eficiência.

Sistema de aquecimento	Custo instalado	Custo de funcionamento por kWh de calor	Custo total por kWh de calor, sem subsídio	Com a bolsa de £7.500
Caldeira a gás	£ 3.000 (assumido)	8.9p	11.2p	não é elegível
Bomba de calor ar-ar, SPF 3.1	£13,100	8.5p	18.8p	13.9p
Bomba de calor geotérmica, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9p	22.0p

• Nosso cálculo. As taxas de manutenção e as taxas permanentes são omissas; elas são semelhantes em todas as opções.*

A mesa é desconfortável, e deve ser.Aos preços do Reino Unido, uma bomba de calor geotérmica para uma única casa custa cerca de duas vezes mais por kWh de calor que o gás, mesmo com a subvenção, quase inteiramente por causa da instalação. O custo de funcionamento já é menor. A imagem muda quando:

• A eletricidade é mais barata em relação ao gás, como na Suécia, Noruega e França, ou com uma tarifa de tempo de utilização.
• O loop de terra dura mais de 20 anos. Espera-se que os poços bem instalados sobrevivam a várias bombas de calor; espalhados por 50 anos em vez de 20, o custo anual do circuito cai em cerca de um quarto.
• Muitos edifícios compartilham um campo de perfuração, reduzindo o projeto, a mobilização e os custos de perfuração por casa, e deixando que as cargas de resfriamento recarreguem o solo.
• A alternativa é o óleo, GLP ou aquecimento elétrico direto, que custam mais do que o gás.
• O edifício precisa de arrefecimento, bem como aquecimento, que o mesmo sistema fornece a pouco custo extra.

Onde pode ganhar, e onde não pode

Ele pode ganhar:

• Campus, hospitais, escritórios e novas residências, onde um campo de perfuração serve muitos edifícios e são necessários aquecimento e resfriamento.
• Residências e fazendas fora da rede de gás substituindo óleo ou GLP.
• Climas frios, onde as bombas de calor de fonte de ar lutam nas semanas mais frias e o solo mantém sua temperatura.
• Ruas reconstruindo sua rede de gás. Redes térmicas operadas por concessionárias, como a de Framingham, poderiam substituir os envelhecidos tubos de gás por circuitos compartilhados de água.
• Novos edifícios, onde os furos podem ser perfurados antes das fundações e o aquecimento por piso radiante mantém a temperatura de fluxo baixa.

Não pode vencer:

• Casa única existente onde o gás é barato e a eletricidade cara, como mostra a tabela de custos, a menos que o preço da instalação caia acentuadamente.
• Blocos de cidade densos e antigos sem espaço para perfurar.
• Prefeitos mal isolados com radiadores pequenos, até que o prédio seja melhorado.
• Como uma fonte de eletricidade. Ele usa eletricidade; ele não faz isso.

O que é comprovado, plausível e especulativo

Provado: o limite de Carnot e a importância do elevador de baixa temperatura; temperaturas estáveis no solo; SPFs anuais medidos em campo em torno de 4 para sistemas de fonte terrestre bem projetados; décadas de operação confiável na Suécia, Suíça, Alemanha e América do Norte; sistemas em escala de campus substituindo carvão e gás.

Plausible: redes térmicas de propriedade da concessionária que tornam o calor de fonte terrestre acessível para ruas comuns; perfuração muito mais barata através de melhores equipamentos, projetos padrão e escala; campos de perfuração que armazenam o calor do verão para uso no inverno.

Especulativo: custos instalados próximos aos de uma caldeira a gás para casas individuais; bombas de calor que excedem amplamente 60% do limite de Carnot no campo; poços profundos (500 m e mais) tornando-se barato o suficiente para uso em cidades densas.

Perguntas de pesquisa abertas

• Perfuração mais barata. A perfuração pode ser o maior custo de um sistema de fonte terrestre. Equipamentos mais rápidos, matrizes densas mais rasas, pilhas de energia em fundações e perfuração direcional horizontal precisam de dados de custo reais.
• Projeto de rede. Como dimensionar loops compartilhados e campos de perfuração para que o aquecimento e resfriamento se equilibrem ao longo de décadas, e quem deve possuí-los.
• Desempenho real em escala. Monitoramento independente de redes como a Framingham: SPF anual, energia de bombeamento, tendências de temperatura do solo e contas dos clientes.
• Refrigerantes de baixo GWP. Bombas de calor a propano e CO2 com elevada eficiência e instalação segura em espaços interiores.
• Efeitos de grade. Como milhões de bombas de calor alteram a demanda máxima no inverno e como os sistemas de fonte terrestre reduzem isso em comparação com a fonte de ar.
• Caminhos de retrofit. A ordem mais barata de isolamento, atualizações de radiadores e bombas de calor para diferentes tipos de casa.

O que um protótipo funcional precisaria

As bombas de calor em si são maduras; as ideias úteis estão em circuitos terrestres mais baratos, redes compartilhadas e controle mais inteligente. Um modelo de trabalho deve fornecer calor medido, com eletricidade medida e calor para fora.

Fase	Trabalho	Decisão que ele permite	Custo aproximado	Tempo
1. Estudo de mesa	Demanda de calor de edifícios reais, dados do solo de levantamentos geológicos, projeto de loop com software padrão, cotações de custos de perfuradores	A ideia é mais barata por kW do que os poços de hoje?	$5k to $20k	2 a 3 meses
2. teste de loop	Um furo ou um novo projeto de trocador de solo com um teste de resposta térmica, uma pequena bomba de calor, medidores de calor e eletricidade, sensores de temperatura do solo	Calor medido por metro e SPF durante um inverno	$30k to $80k	6 a 12 meses
3. piloto de rua	5 a 20 edifícios em um loop compartilhado, um ano de dados medidos, contas do cliente	Custo real por habitação e por kWh de calor	$0.5M to $3M	18 a 24 meses

Quem precisamos

• Geólogos e hidrogeólogos para ler o solo e modelar os campos de perfuração.
• Empreiteiros de perfuração dispostos a testar novos métodos e compartilhar custos reais.
• Engenheiros de bomba de calor e AVAC para o projeto, comissionamento e monitoramento.
• Planejadores de energia e serviços públicos distritais para redes compartilhadas e modelos de propriedade.
• Especialistas em física da construção para sequenciamento de retrofit e emissores de baixa temperatura.
• Economistas e designers de tarifas para fixar preços justos do calor e recompensar a flexibilidade.

Tem uma ideia melhor?

Alguns membros da Fundação podem ter contatos que poderiam ouvir um lance para uma ideia de energia forte. Para ser lançada, uma ideia precisa de um um modelo de trabalho, da vida real que realmente produz energia; para uma ideia de calor como esta, isso significa um modelo que fornece calor medido, com sua saída e seu uso de eletricidade registrados em instrumentos, não reivindicados. Ideias em papel também são bem-vindas: se a física e os números forem sólidos, podemos publicá-las aqui no site. Mas levantar capital sem um modelo de trabalho é muito difícil, e nada aqui é uma promessa de financiamento, retornos ou introduções.

Envie sua ideia através do formulário de contribuição com o problema que resolve, a verificação física, um custo aproximado por kWh de calor e o teste mais barato que poderia provar que está errado. Se você tiver um modelo de trabalho, inclua sua saída medida e como você a mediu. A página fontes de energia compara esta e as outras alternativas no radar de ideias.

Fontes

1. Wikipédia. Ball State University: sistema geotérmico concluído em 2017.
2. IEA (2022). O Futuro das Bombas de Calor.
3. Fraunhofer ISE. WPsmart im Bestand: bombas de calor em edifícios existentes, teste de campo.
4. Wikipédia. Bomba de calor de fonte geotermal: profundidades do poço, temperaturas do solo e o gradiente geotérmico.
5. Departamento de Segurança Energética e Net Zero (2026). Estatísticas do Plano de Atualização de Caldeiras, abril de 2026, tabelas Q1.1A e 1.1.
6. Ofgem (2026). Taxas unitárias de preço máximo da energia, 1 de outubro a 31 de dezembro de 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Aliança improvável constrói rede de energia geotérmica mais limpa na comunidade de Massachusetts.
8. Departamento de Energia dos EUA. Estudo de caso da bomba de calor geotérmica: Universidade de Colorado Mesa.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. e Fedrizzi, R. (2019). Sistemas de aquecimento e arrefecimento urbano de 5ª geração: uma revisão dos casos existentes na Europa. Revista Brasileira de Energia Renovável e Sustentável 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. e Hawkes, A. (2012). Uma revisão de bombas de calor domésticas. Ciência da Energia e do Meio Ambiente 5, 9291.
11. Lazard (junho de 2026). Custo de Energia Nivelado+, versão 19.
12. Local Solar System Fundação. O modelo aberto Fan Wall: o benchmark solar de telhado de US $ 0,19 por kWh.