26 agosto 2010

La tecnología de bombas de calor y su eficiencia vista en detalle (3ª Parte)



Bombas de calor geotérmicas

Las bombas de calor geotérmicas (GHPS) utilizan como fuente de calor la temperatura del subsuelo para aplicaciones de calentamiento y enfriamiento, intercambio directo y otras aplicaciones.

Cada sistema geotérmico consiste en tres principales elementos: 1) Una bomba de calor geotérmica consiste en tres elementos principales: 1) una bomba de calor geotérmica que mueve el calor entre el edificio y el fluido en la conexión de la tierra por la bomba de calor geotérmica y es distribuida a través de un sistema de conductos de aire. El aire más frío del edificio es retornado a la bomba de calor, donde enfría el fluido que fluye a la conexión de la tierra. El fluido se calienta de nuevo y fluye a través de la conexión de la tierra. El proceso es invertido para enfriar el edificio.

El circuito del suelo puede instalarse directamente al suelo o a través de un pozo. El fluido puede ser agua o un refrigerante. Las bombas de calor geotérmicas pueden proporcionar calentamiento, enfriamiento, e incluso agua caliente, a un coste significativamente más bajo comparado con los sistemas convencionales. Sin embargo, las instalaciones de sistemas geotérmicos usualmente cuestan dos o tres veces más comparado con los sistemas convencionales.

Tres tipos de configuraciones se usan para instalar sistemas de bombas de calor geotérmicas. El tipo seleccionado depende de numerosos factores incluyendo tipo de suelo, disponibilidad de una fuente de agua, el tamaño de la instalación, y la cantidad de tierra disponible. Los circuitos pueden instalarse horizontalmente o verticalmente en el suelo, o sumergido en un cuerpo de agua. El tipo de configuración de circuito incluye:

• Circuito de suelo cerrado horizontal.
• Circuito de suelo cerrado vertical.
• Circuito cerrado en lago o charca.
• Sistema de circuito abierto.
• Sistema de pozo de columna estacionaria.

Los sistemas de bombas de calor geotérmica ofrecen bastante flexibilidad, y ofrecen grandes beneficios a los que están dispuestos a pagar unos costes de instalación más altos. Estos beneficios incluyen:

• Ahorro de costes sustancial: Los sistemas geotérmicos pueden ahorrar tanto como un 50 % comparado con las bombas de calor de fuente aire y hasta un 45 % en combustibles fósiles.
• Ahorro fiscal: En muchos lugares existen ayudas públicas a modo de bonificaciones fiscales.
• Beneficios ambientales: Los sistemas geotérmicos son una fuente de energía renovable.
• Financiación: Existen muchos programas de financiación privada que apoyan estos proyectos.

Si bien las bombas geotérmicas han estado disponibles desde hace décadas, todavía quedan nichos de mercado disponibles. Esta tecnología todavía se enfrenta a numerosos desafíos incluyendo reducción de costes y desarrollo de una infraestructura sostenible. Justamente a quince metros bajo el suelo, la temperatura queda constante (entre 10 y 16 ºC) durante todo el año.

La temperatura del suelo es más caliente que el aire en invierno y más fría que el aire en verano. Las bombas de calor geotérmicas toman ventaja de esta diferencia para calentar y enfriar los edificios.

La bomba de calor debe compensar las diferencias del calor absorbidas y la temperatura donde el calor se reparte. Una bomba de calor de fuente aire quita calor del aire del exterior en el invierno y transmite calor al aire caliente en verano. La bomba de calor geotérmica, por otra parte, recupera calor del suelo relativamente caliente en el invierno y transmite calor al mismo relativamente frío en el verano. Como resultado, la bomba de calor geotérmica está bombeando el calor con una diferencia de temperatura más pequeña que la bomba de calor de fuente aire. Esto lleva a una eficiencia más alta y uso de energía más baja.
El sistema de bomba de calor geotérmica tiene tres partes principales: el intercambiador de calor del suelo, la unidad de bomba de calor, y el sistema de distribución de aire. El intercambiador de calor es un sistema de tuberías llamada un circuito, el cual es enterrado en suelo poco profundo cerca del edificio. Un fluido (usualmente una mezcla de agua y anticongelante) circula a través de las tuberías para absorber o depositar calor dentro del suelo.

En el invierno, la bomba de calor extrae calor del intercambiador de calor y lo transfieren al sistema de distribución de aire interior. En el verano, el proceso se invierte y la bomba de calor mueve el calor desde el aire del interior al intercambiador de calor. El calor extraído del aire del interior durante el verano puede usarse para calentar agua.

En la mayoría de las instalaciones estándar, especialmente en el mercado residencial, la bomba de calor geotérmica consiste en una única bomba de calor agua-a-aire compacta. Todos los componentes están contenidos en una única carcasa que tiene el mismo tamaño que una caldera de gas pequeña. La unidad incluye un intercambiador de calor de refrigerante-a-agua, tuberías de refrigerante y válvula de control, compresor, serpentín de aire (calienta en invierno; enfría y deshumidifica en verano), ventilador y controles.

Consideraciones de diseño del circuito geotérmico

La conexión del suelo, o circuito, proporcionan los medios para transferir el calor a tierra en verano, y extrayendo calor de la tierra en invierno. Físicamente, el circuito del suelo consiste en varios tramos de tubería de plástico típicamente instalados en trincheras horizontales o pozos verticales que están cubiertos con tierra.

El fluido en el interior del circuito del suelo, ya sea agua o refrigerante, es bombeado a través de un intercambiador de calor en la bomba de calor geotérmica. En el verano, absorbe calor de la zona caliente del refrigerante y la transporta al suelo a través de la tubería del circuito del suelo. En invierno, absorbe calor de la tierra a través del circuito del suelo, y luego transfiere ese calor a la zona fría del refrigerante.

La longitud del circuito del suelo queda determinada por las cargas de calor y frío, que vienen determinadas por el diseño del edificio, orientación y clima.

Una vez instalado, el circuito queda fuera de la vista bajo la superficie. El circuito del suelo consiste en tuberías de polietileno del mismo tipo que se usan en las conducciones de gas natural. No se degradan, ni corroen ni se descomponen en contacto con el agua, así que estas instalaciones pueden proyectarse para durar al menos 50 años.

A veces las bombas de calor geotérmicas se instalan usando una variación en esta práctica denominada intercambio directo (DX). Este método usa tuberías de cobre colocadas bajo el suelo y cuando el refrigerante es bombeado a través del circuito, el calor es transferido directamente a través del cobre a la tierra.

La mayoría de los circuitos se instalan horizontal o verticalmente en el suelo, o se sumergen en el agua en una charca o lago. En la mayoría de los casos, el fluido circula a través del circuito en un sistema cerrado, pero los sistemas de circuito abierto pueden usarse donde lo permite la normativa local. Cada tipo de configuración tiene ventajas y desventajas.

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