La bomba de calor geotérmica es un sistema de aire acondicionado y sistema de calefacción para edificios que explota el intercambio de calor con el subsuelo superficial. En este caso, el intercambio se realiza por medio de una bomba de calor.
Dado que el calor en el subsuelo proviene en gran parte del interior de la Tierra, la energía geotérmica de baja temperatura se clasifica como una fuente de energía renovable.
La bomba de calor permite el intercambio de calor entre una fuente fría a una fuente caliente. En un sistema de calefacción, el edificio representa el foco caliente. En un sistema de aire acondicionado, el edificio es la fuente fría de la que se extrae el calor.
Según la segunda ley de la termodinámica el calor solo se transfiere de un foco caliente a un foco frío. Por esta razón se requiere suministrar un trabajo, energía. Es decir, las bombas de calor requieren una fuente externa de electricidad.
El suelo representa para la bomba de calor una "fuente" (cuando funciona en calefacción) o un "pozo" (en modo refrigeración) de calor.
En comparación con el aire atmosférico (que es la fuente de bombas de calor aerotérmicas), la temperatura del suelo a una cierta profundidad se somete a variaciones anuales mucho más pequeñas. En una profundidad de 5-10 m la temperatura es estable, casi todo el año se mantiene constante.
Existen bombas de calor geotérmica que incorporan un acumulador para la producción de agua caliente sanitaria.
La temperatura a esta profundidad es aproximadamente equivalente a la temperatura media anual del aire exterior.
¿Cómo se realiza el intercambio térmico de una bomba geotérmica?
El intercambio de calor con el subsuelo puede tener lugar de tres maneras:
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Intercambio directo, donde el circuito de evaporador / condensador de la bomba de calor está en contacto directo con el subsuelo.
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Sistemas de circuito cerrado, donde la bomba de calor realiza el intercambio de calor con el suelo indirectamente, por medio de un circuito hidráulico en el que fluye un fluido refrigerante.
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Sistemas de circuito abierto, en los que se toma agua subterránea en la que se lleva a cabo el intercambio de calor.
En climas fríos, el edificio donde la carga de calor está desequilibrada a favor de la calefacción, el suelo podría enfriarse debido a la eliminación de calor. Sin embargo, es posible acoplar la bomba de calor geotérmica para una instalación de paneles solares térmicos y almacenar en el suelo calor acumulado en el verano.
Intercambio directo
En la bomba de calor geotérmica de intercambio directo, el intercambio de calor tiene lugar con el suelo. El refrigerante que sale de la bomba de calor, circula en una tubería insertada en contacto directo con el suelo, intercambia calor con ella y regresa a la bomba de calor.
Estos sistemas son mucho más eficientes que los sistemas de circuito cerrado. Esto es debido a la ausencia de un circuito intermedio y alta conductividad térmica de los tubos de cobre utilizado.
Circuito cerrado
La mayoría de los sistemas geotérmicos de baja entalpía se componen de tres circuitos:
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circuito de aire acondicionado;
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circuito primario de la bomba de calor;
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circuito secundario de intercambio de calor con el suelo.
La bomba de circulación puede ser externa o estar incluida dentro de la bomba de calor. En el circuito secundario también hay tanques de expansión y válvulas de seguridad para control de presión
Existen bombas de calor geotérmica que incorporan el circuito frigorífico en la unidad interior.
El circuito cerrado se puede instalar horizontalmente a una profundidad de 1-3 m, o verticalmente en un orificio especialmente diseñado (sondas geotérmicas) o en un poste de cimentación (pilas geotérmicas).
Circuito cerrado vertical
Un circuito cerrado vertical consta de dos o más tubos instalados verticalmente en el suelo. Estos tubos forman un circuito cerrado en el que fluye el fluido de transferencia de energía calorífica. La longitud de la perforación puede ser de entre 20 y 200 m.
Las sondas geotérmicas son ampliamente utilizadas cuando no hay suficiente espacio para una planta horizontal de circuito cerrado.
En los campos de la sonda, la distancia entre las perforaciones es de entre 5 y 10 m. Las sondas geotérmicas pueden proporcionar una potencia entre 40 y 70 W por metro de perforación.
Circuito cerrado horizontal
El circuito cerrado puede colocarse horizontalmente en una zanja, colocada a profundidades mayores a aquellas a las que puede ocurrir la congelación del terreno.
El tubo puede ser lineal o espiral (bobinas de tierra). La potencia intercambiable depende de la longitud de la tubería y del área ocupada: aproximadamente, la potencia intercambiada con el suelo es de 15-40 vatios / m².
Los tubos se instalan a una profundidad de 1-3 m: cuanto mayor es la profundidad de instalación, mayor es la inercia térmica y mejor es la eficiencia de la bomba de calor.
En comparación con las sondas geotérmicas verticales, la eficiencia de la bomba de calor es menor, pero los menores costos de instalación hacen que esta solución sea competitiva.
Bomba geotérmica de circuito abierto
En este tipo de instalación, el intercambio de calor se lleva a cabo con agua subterránea o, más raramente, desde ríos y lagos. El agua extraída puede volver a introducirse en un cuerpo de agua superficial, o en el mismo acuífero del que se extrajo.
La ventaja, en comparación con los sistemas de circuito cerrado, es:
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Una mayor eficiencia energética de la bomba de calor geotérmica.
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Menores costos de instalación
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Menos espacios ocupados, en comparación con los sistemas de sondas geotérmicas e incluso más que los sistemas horizontales de circuito cerrado.
La principal desventaja de estas plantas es el riesgo de grietas e incrustaciones, que acortan la vida útil de la planta.
¿Cuál es la eficiencia energética de una bomba de calor geotérmica?
Para estudiar la eficiencia energética de una bomba de calor geotérmica se utiliza el concepto COP. El COP es el coeficiente de rendimiento de un refrigerador. Este se define como el calor extraído del depósito frío Q dividido por el trabajo W realizado para eliminar el calor.
El COP de una bomba de calor geotérmica varía entre 3 y 6: esto significa que por cada kWh de electricidad consumida, se producen 3-6 kWh térmicos.
El rendimiento de energía primaria de una bomba de calor geotérmica es, por lo tanto, variable entre 120% y 240%. Por otro lado, las mejores calderas de condensación obtienen rendimientos del 90%.
El COP de la bomba de calor depende en gran medida de las temperaturas de los dos termostatos: cuanto menor es la diferencia, mayor es el COP.