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Usuario:Rafstr/Bomba geotérmica de calor

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Una bomba de calor en combinación con almacenamiento de calor y frío.

Una bomba geotérmica de calor es un sistema de calefacción/refrigeración para edificios que utiliza un tipo de bomba de calor para transferir calor hacia o desde el suelo, aprovechando la relativa constancia de las temperaturas de la tierra a través de las estaciones. Las bombas de calor de fuente terrestre (GSHP-Ground-source heat pumps), o bombas de calor geotérmicas (GHP-geothermal heat pumps), como se las denomina comúnmente en América del Norte, se encuentran entre las tecnologías más eficientes energéticamente para proporcionar climatización y calentamiento de agua, y utilizan mucha menos energía de la que se puede lograr con quemar un combustible en una caldera/horno o mediante el uso de calentadores eléctricos resistivos.

La eficiencia se expresa como un coeficiente de operatividad (CoP), que normalmente está en el rango de 3 a 6, lo que significa que los dispositivos proporcionan de 3 a 6 unidades de calor por cada unidad de electricidad utilizada. Los costes de instalación son más elevados que los de otros sistemas de calefacción, debido a la necesidad de instalar circuitos de tierra en grandes superficies o de perforar agujeros, y por esta razón, la fuente de tierra suele ser adecuada cuando se construyen nuevos bloques de viviendas. [1]​ De lo contrario, a menudo se utiliza energía aerotérmica.

Propiedades térmicas del suelo.[editar]

Las bombas geotérmicas de calor aprovechan la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura a distintas profundidades del suelo.

Las propiedades térmicas del suelo cerca de la superficie [2]​ [3]​ se pueden describir de la siguiente manera:

  • En la capa superficial, a una profundidad de aproximadamente 1 metro, la temperatura es muy sensible a la luz solar y al clima,
  • En la capa poco profunda, hasta una profundidad de unos 8 a 20 metros, según el tipo de suelo, la masa térmica del suelo hace que la variación de temperatura disminuya exponencialmente con la profundidad hasta que se acerca a la temperatura media anual local del aire; también va por detrás de la temperatura de la superficie, de modo que la temperatura máxima es aproximadamente 6 meses después de la temperatura máxima de la superficie.
  • Debajo de eso, en la capa más profunda, la temperatura es efectivamente constante, aumentando alrededor de 0,025 °C por metro según el gradiente geotérmico.

La "profundidad de penetración" [3]​ se define como la profundidad a la que la variable temperatura es menor que 0,01 de la variación en la superficie, y esto depende del tipo de suelo:

Profundidad de penetración en metros de ciclos de temperatura diurnos y anuales.
Tipo de suelo Día (m) Año (m)
Roca 1.10 20,5
Arcilla mojada 0,95 18.0
Arena mojada 0,80 14.5
Arcilla seca 0,40 6.5
Arena seca 0,30 4.5

Historia[editar]

La bomba de calor fue descrita por William Thomson en 1853 y desarrollada por Peter Ritter von Rittinger en 1855. Heinrich Zoelly había patentado la idea de utilizarla para extraer calor del suelo en 1912. [4]​

Después de experimentar con un congelador, Robert C. Webber construyó la primera bomba de calor geotérmica de intercambio directo a finales de la década de 1940; sin embargo, las fuentes no están de acuerdo en cuanto a la cronología exacta de su invención [4]​ [5]​ El primer proyecto comercial exitoso se instaló en el Commonwealth Building (Portland, Oregon) en 1948 y ha sido designado Monumento Histórico Nacional de Ingeniería Mecánica por ASME.. [6]​ El profesor Carl Nielsen de la Universidad Estatal de Ohio construyó la primera versión residencial de circuito abierto en su casa en 1948. [7]​

Como resultado de la crisis del petróleo de 1973, las bombas de calor geotérmicas se hicieron populares en Suecia y desde entonces han ido creciendo lentamente en aceptación mundial. Los sistemas de circuito abierto dominaron el mercado hasta que el desarrollo de tuberías de polibutileno en 1979 hizo que los sistemas de circuito cerrado fueran económicamente viables. [8]​

En 2004, había más de un millón de unidades instaladas en todo el mundo, proporcionando 12 GW de capacidad térmica con una tasa de crecimiento del 10% anual. [9]​ Cada año (a partir de 2011/2004, respectivamente), se instalan alrededor de 80.000 unidades en los Estados Unidos [10]​ y 27.000 en Suecia. [9]​ En Finlandia, la bomba geotérmica de calor fue la opción de sistema de calefacción más común para viviendas unifamiliares nuevas entre 2006 y 2011, con una cuota de mercado superior al 40%. [11]​

Configuración[editar]

Disposición interna[editar]

Bomba de calor líquido-agua

Una bomba de calor es la unidad central para la calefacción y refrigeración del edificio. Suele presentarse en dos variantes principales:

Las bombas de calor líquido-agua (también llamadas agua-agua) son sistemas hidrónicos que llevan la calefacción o refrigeración por el edificio a través de tuberías hasta radiadores convencionales, suelo radiante, radiadores de zócalo y depósitos de agua caliente. Estas bombas de calor también son las preferidas para calentar piscinas. Las bombas de calor normalmente sólo calientan el agua a aproximadamente 55 °C (131 °F) de manera eficiente, mientras que las calderas normalmente funcionan entre 65–95 °C (149–203 °F). El tamaño de los radiadores diseñados para las temperaturas más altas alcanzadas por las calderas puede ser demasiado pequeño para su uso con bombas de calor, lo que requiere reemplazarlos por radiadores más grandes al adaptar una casa de caldera a bomba de calor. Cuando se utiliza para enfriar, la temperatura del agua en circulación normalmente debe mantenerse por encima del punto de rocío para garantizar que la humedad atmosférica no se condense en el radiador.

Las bombas de calor líquido-aire (también llamadas agua-aire) producen aire forzado y se utilizan más comúnmente para reemplazar calderas de aire forzado y sistemas de aire acondicionado central antiguos. Existen variaciones que permiten sistemas divididos, sistemas de alta velocidad y sistemas sin ductos. Las bombas de calor no pueden alcanzar una temperatura de fluido tan alta como un horno convencional, por lo que requieren un mayor caudal volumétrico de aire para compensar. Al modernizar una residencia, es posible que sea necesario ampliar los conductos existentes para reducir el ruido del mayor flujo de aire.

Intercambiador de calor de tierra[editar]

Un bucle deslizante horizontal antes de cubrirlo con tierra.

Las bombas de calor geotérmicas emplean un intercambiador de calor terrestre en contacto con el suelo o el agua subterránea para extraer o disipar el calor. Un diseño incorrecto puede provocar que el sistema se congele después de varios años o que el rendimiento del sistema sea muy ineficiente; por lo tanto, el diseño preciso del sistema es fundamental para un sistema exitoso [12]​

Las tuberías para el circuito de tierra suelen estar hechas de tuberías de polietileno de alta densidad y contienen una mezcla de agua y anticongelante (propilenglicol, alcohol desnaturalizado o metanol). El monopropilenglicol tiene el menor potencial dañino cuando se puede filtrar al suelo y, por lo tanto, es el único anticongelante permitido en fuentes terrestres en un número cada vez mayor de países europeos.

Horizontal

Un campo de circuito cerrado horizontal se compone de tuberías dispuestas en un plano en el suelo. Se cava una zanja larga, más profunda que la línea de escarcha, y dentro de la misma zanja se extienden espirales en forma de U o furtivas. Poco profundo 3-8 pies (0,9-2,4 m) los intercambiadores de calor horizontales experimentan ciclos de temperatura estacionales debido a las ganancias solares y las pérdidas de transmisión al aire ambiente a nivel del suelo. Estos ciclos de temperatura van a la zaga de las estaciones debido a la inercia térmica, por lo que el intercambiador de calor recolectará el calor depositado por el sol varios meses antes, mientras que se verá sobrecargado a finales del invierno y en la primavera debido al frío invernal acumulado. Los sistemas en suelo húmedo o en agua son generalmente más eficientes que los circuitos de tierra más secos, ya que el agua conduce y almacena el calor mejor que los sólidos en la arena o el suelo. Si el suelo está naturalmente seco, las mangueras de remojo se pueden enterrar con el circuito de tierra para mantenerlo húmedo.

Vertical

Perforación de un pozo para calefacción residencial

Un sistema vertical consta de varios pozos de unos 50 a 400 pies (15,2 a 121,9 m) profundamente provistos de tubos en forma de U a través de los cuales se hace circular un fluido caloportador que absorbe (o descarga) calor desde (o hacia) el suelo. [13]​ [14]​ Los pozos de perforación están espaciados al menos entre 5 y 6 m y la profundidad depende de las características del terreno y del edificio. Alternativamente, las tuberías pueden integrarse con los pilotes de cimentación utilizados para soportar el edificio. Los sistemas verticales dependen de la migración de calor desde la geología circundante, a menos que se recarguen durante el verano y en otras épocas en las que haya calor excedente disponible. Los sistemas verticales se utilizan normalmente cuando no hay suficiente terreno disponible para un sistema horizontal.

Los pares de tuberías en el orificio se unen con un conector transversal en forma de U en la parte inferior del orificio o comprenden dos tubos de polietileno de alta densidad (HDPE) de pequeño diámetro fusionados térmicamente para formar una curva en forma de U en la parte inferior. [15]​ El espacio entre la pared del pozo y los tubos en forma de U suele rellenarse completamente con material de relleno o, en algunos casos, parcialmente con agua subterránea. [16]​ Por ejemplo, una casa unifamiliar que necesita 10 kW (3 toneladas) de capacidad de calefacción podrían necesitar tres pozos 80 a 110 m (262,5 a 360,9 pies) de profundidad. [17]​

Perforación radial o direccional

Como alternativa a la zanja, los bucles se pueden colocar mediante miniperforación direccional horizontal (mini-HDD). Esta técnica permite colocar tuberías debajo de patios, entradas de vehículos, jardines u otras estructuras sin perturbarlos, con un coste entre el de la excavación de zanjas y el de la perforación vertical. Este sistema también difiere de la perforación horizontal y vertical en que los bucles se instalan desde una cámara central, lo que reduce aún más el espacio necesario en el suelo. La perforación radial a menudo se instala de forma retroactiva (después de que se haya construido la propiedad) debido al tamaño pequeño del equipo utilizado y a la capacidad de perforar debajo de las construcciones existentes.

Bucle abierto

En un sistema de circuito abierto (también llamado bomba de calor de agua subterránea), el circuito secundario bombea agua natural de un pozo o masa de agua a un intercambiador de calor dentro de la bomba de calor. Dado que la química del agua no está controlada, es posible que sea necesario proteger el aparato contra la corrosión utilizando diferentes metales en el intercambiador de calor y la bomba. La cal puede ensuciar el sistema con el tiempo y requerir una limpieza periódica con ácido. Esto es mucho más un problema con los sistemas de refrigeración que con los sistemas de calefacción. [18]​ Un sistema de pozo de columna vertical es un tipo especializado de sistema de circuito abierto en el que el agua se extrae del fondo de un pozo de roca profunda, se pasa a través de una bomba de calor y se devuelve a la parte superior del pozo. [19]​ Un número creciente de jurisdicciones han prohibido los sistemas de circuito abierto que drenan a la superficie porque pueden drenar acuíferos o contaminar pozos. Esto obliga al uso de pozos de inyección más respetuosos con el medio ambiente o de un sistema de circuito cerrado.

Estanque

Sistema de bucle de estanque de 12 toneladas hundido en el fondo de un estanque

Un circuito de estanque cerrado consta de bobinas de tubería similares a un circuito flexible unidos a un marco y ubicados en el fondo de un estanque o fuente de agua del tamaño adecuado. Los estanques artificiales se utilizan como almacenamiento de calor (hasta un 90% de eficiencia) en algunas plantas de calefacción solar central, que luego extraen el calor (similar al almacenamiento subterráneo) a través de una gran bomba de calor para suministrar calefacción urbana. [20]​ [21]​

Intercambio directo (DX)

La bomba de calor geotérmica de intercambio directo (DX) es el tipo más antiguo de tecnología de bomba de calor geotérmica en la que el refrigerante pasa a través del circuito de tierra. Desarrollado durante la década de 1980, este enfoque enfrentó problemas con el sistema de gestión de refrigerante y aceite, especialmente después de la prohibición de los refrigerantes CFC en 1989 y los sistemas DX ahora se utilizan con poca frecuencia.

Instalación[editar]

Debido al conocimiento técnico y al equipo necesarios para diseñar y dimensionar el sistema adecuadamente (e instalar las tuberías si se requiere fusión de calor), la instalación de un sistema GSHP requiere los servicios de un profesional. Varios instaladores han publicado vistas en tiempo real del rendimiento del sistema en una comunidad en línea de instalaciones residenciales recientes. La Asociación Internacional de Bombas de Calor de Fuente Terrestre (IGSHPA), [22]​ la Organización de Intercambio Geotérmico (GEO), [23]​ la Coalición Canadiense de GeoExchange y la Asociación de Bombas de Calor de Fuente Terrestre mantienen listados de instaladores calificados en los EE. UU., Canadá y el Reino Unido. [24]​ Además, el análisis detallado de la conductividad térmica del suelo para sistemas horizontales y de la conductividad térmica de la formación para sistemas verticales generalmente dará como resultado sistemas diseñados con mayor precisión y mayor eficiencia. [25]​

Rendimiento térmico[editar]

El rendimiento de refrigeración generalmente se expresa en unidades de BTU/h/vatio como índice de eficiencia energética (EER), mientras que el rendimiento de calefacción generalmente se reduce a unidades adimensionales como coeficiente de rendimiento (COP). El factor de conversión es 3,41 BTU/h/vatio. Dado que una bomba de calor mueve de tres a cinco veces más energía térmica que la energía eléctrica que consume, la producción total de energía es mucho mayor que la entrada eléctrica. Esto da como resultado eficiencias térmicas netas superiores al 300% en comparación con el calor eléctrico radiante que es 100% eficiente. Los hornos de combustión tradicionales y los calentadores eléctricos nunca pueden exceder el 100% de eficiencia. Las bombas de calor geotérmicas pueden reducir el consumo de energía (y las correspondientes emisiones de contaminación del aire) hasta un 72 % en comparación con la calefacción por resistencia eléctrica con equipos de aire acondicionado estándar. [26]​

Los compresores eficientes, los compresores de velocidad variable y los intercambiadores de calor más grandes contribuyen a la eficiencia de la bomba de calor. Las bombas de calor residenciales geotérmicas que se encuentran actualmente en el mercado tienen COP estándar que van de 2,4 a 5,0 y EER que van de 10,6 a 30. [27]​ Para calificar para una etiqueta Energy Star, las bombas de calor deben cumplir con ciertas clasificaciones mínimas de COP y EER que dependen del tipo de intercambiador de calor terrestre. Para sistemas de circuito cerrado, el COP de calefacción ISO 13256-1 debe ser 3,3 o mayor y el EER de refrigeración debe ser 14,1 o mayor. [28]​

Los estándares ARI 210 y 240 definen el índice de eficiencia energética estacional (SEER) y los factores de rendimiento estacional de calefacción (HSPF) para tener en cuenta el impacto de las variaciones estacionales en las bombas de calor con fuente de aire. Estos números normalmente no son aplicables y no deben compararse con las clasificaciones de las bombas de calor geotérmicas. Sin embargo, Natural Resources Canada ha adaptado este enfoque para calcular HSPF típicos ajustados estacionalmente para bombas de calor geotérmicas en Canadá. [29]​ Los HSPF de la NRC oscilaron entre 8,7 y 12,8 BTU/h/vatio (2,6 a 3,8 en factores adimensionales, o 255 % a 375 % de eficiencia de utilización de electricidad promedio estacional) para las regiones más pobladas de Canadá.

Con el fin de comparar los aparatos con bomba de calor entre sí, independientemente de otros componentes del sistema, el Instituto Americano de Refrigerantes (ARI) y, más recientemente, la Organización Internacional de Normalización han establecido algunas condiciones de prueba estándar. Las clasificaciones estándar ARI 330 estaban destinadas a bombas de calor de fuente terrestre de circuito cerrado y asumen temperaturas del agua del circuito secundario de 25 grados Celsius (77,0 °F) para aire acondicionado y 0 grados Celsius (32,0 °F) para calefacción. Estas temperaturas son típicas de instalaciones en el norte de EE. UU. Las clasificaciones estándar ARI 325 estaban destinadas a bombas de calor de fuente terrestre de circuito abierto e incluyen dos conjuntos de clasificaciones para temperaturas de agua subterránea de 10 grados Celsius (50,0 °F) y 21 grados Celsius (69,8 °F). El ARI 325 presupuesta más electricidad para el bombeo de agua que el ARI 330. Ninguno de estos estándares intenta tener en cuenta las variaciones estacionales. Las clasificaciones estándar ARI 870 están destinadas a bombas de calor geotérmicas de intercambio directo. ASHRAE hizo la transición a ISO 13256–1 en 2001, que reemplaza a ARI 320, 325 y 330. La nueva norma ISO produce calificaciones ligeramente más altas porque ya no presupuesta electricidad para las bombas de agua.

El suelo sin adición o sustracción de calor artificial y a profundidades de varios metros o más permanece a una temperatura relativamente constante durante todo el año. Esta temperatura equivale aproximadamente a la temperatura media anual del aire del lugar elegido, normalmente 7–12 °C (45–54 °F) a una profundidad de 6 metros (6,6 yd) en el norte de EE. UU. Debido a que esta temperatura permanece más constante que la temperatura del aire a lo largo de las estaciones, las bombas de calor geotérmicas funcionan con mucha mayor eficiencia durante temperaturas extremas del aire que los aires acondicionados y las bombas de calor geotérmicas.

Análisis de transferencia de calor.[editar]

Un desafío a la hora de predecir la respuesta térmica de un intercambiador de calor terrestre (GHE) [30]​ es la diversidad de escalas temporales y espaciales involucradas. En la transferencia de calor de los GHE intervienen cuatro escalas espaciales y ocho escalas temporales. La primera escala espacial que tiene importancia práctica es el diámetro del pozo (~ 0,1 m) y el tiempo asociado es del orden de 1 hora, durante el cual el efecto de la capacidad calorífica del material de relleno es significativo. La segunda dimensión espacial importante es la media distancia entre dos pozos adyacentes, que es del orden de varios metros. El tiempo correspondiente es del orden de un mes, durante el cual la interacción térmica entre pozos adyacentes es importante. La escala espacial más grande puede ser de decenas de metros o más, como la mitad de la longitud de un pozo y la escala horizontal de un grupo GHE. La escala de tiempo involucrada es tan larga como la vida útil de un GHE (décadas). [31]​

La respuesta horaria de la temperatura del suelo a corto plazo es vital para analizar la energía de los sistemas de bombas de calor geotérmicas y para su control y funcionamiento óptimos. Por el contrario, la respuesta a largo plazo determina la viabilidad general de un sistema desde el punto de vista del ciclo de vida. Abordar el espectro completo de escalas de tiempo requiere vastos recursos computacionales.

Las principales preguntas que los ingenieros pueden plantearse en las primeras etapas del diseño de un GHE son (a) cuál es la tasa de transferencia de calor de un GHE en función del tiempo, dada una diferencia de temperatura particular entre el fluido en circulación y el suelo, y (b) cuál es la diferencia de temperatura en función del tiempo, dada una tasa de intercambio de calor requerida. En el lenguaje de la transferencia de calor, las dos preguntas probablemente puedan expresarse como

donde T f es la temperatura promedio del fluido en circulación, T 0 es la temperatura efectiva e inalterada del suelo, q l es la tasa de transferencia de calor del GHE por unidad de tiempo por unidad de longitud (W/m) y R es la Resistencia térmica total (m. K/W). R (t) es a menudo una variable desconocida que debe determinarse mediante análisis de transferencia de calor. A pesar de que R (t) es función del tiempo, los modelos analíticos lo descomponen exclusivamente en una parte independiente del tiempo y una parte dependiente del tiempo para simplificar el análisis.

En las referencias se pueden encontrar diferentes modelos para R independiente y dependiente del tiempo. [13]​ [14]​ Además, a menudo se realiza una prueba de respuesta térmica para realizar un análisis determinista de la conductividad térmica del terreno para optimizar el tamaño del campo de bucle, especialmente para sitios comerciales más grandes (por ejemplo, más de 10 pozos).

Almacenamiento térmico estacional[editar]

Una bomba de calor en combinación con almacenamiento de calor y frío.

La eficiencia de las bombas de calor geotérmicas se puede mejorar enormemente mediante el uso de almacenamiento de energía térmica estacional y transferencia de calor entre estaciones. [32]​ El calor capturado y almacenado en bancos térmicos durante el verano puede recuperarse eficientemente en el invierno. La eficiencia del almacenamiento de calor aumenta con la escala, por lo que esta ventaja es más significativa en los sistemas de calefacción comerciales o urbanos.

Se han utilizado combisistemas geosolares para calentar y enfriar un invernadero utilizando un acuífero para almacenamiento térmico. [21]​ [33]​ En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea fría. Esto calienta el agua del acuífero, que puede convertirse en una fuente cálida de calefacción en invierno. [33]​ [34]​ La combinación de almacenamiento de frío y calor con bombas de calor se puede combinar con la regulación de agua/humedad. Estos principios se utilizan para proporcionar calor y refrigeración renovables [35]​ a todo tipo de edificios.

También se puede mejorar la eficiencia de las pequeñas instalaciones de bombas de calor existentes añadiendo colectores solares grandes, baratos y llenos de agua. Estos se pueden integrar en un estacionamiento que se va a reformar, o en paredes o techos instalando tubos de PE de una pulgada en la capa exterior.

Impacto medioambiental[editar]

La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) ha calificado a las bombas de calor geotérmicas como los sistemas de acondicionamiento de espacios más eficientes energéticamente, ambientalmente limpios y rentables disponibles. [36]​ Las bombas de calor ofrecen un importante potencial de reducción de emisiones, especialmente cuando se utilizan tanto para calefacción como para refrigeración y cuando la electricidad se produce a partir de recursos renovables.

Los GSHP tienen eficiencias térmicas insuperables y producen cero emisiones localmente, pero su suministro de electricidad incluye componentes con altas emisiones de gases de efecto invernadero a menos que el propietario haya optado por un suministro de energía 100% renovable. Su impacto ambiental, por tanto, depende de las características del suministro eléctrico y de las alternativas disponibles.

Ahorro anual de gases de efecto invernadero (GEI) al utilizar una bomba de calor geotérmica en lugar de una caldera de alta eficiencia en una residencia independiente (suponiendo que no haya un suministro específico de energía renovable)
País Electricidad CO2
Intensidad de emisiones 		Ahorros de GEI en relación con
Gas natural Aceite de calefaccion Calefacción eléctrica
Canadá 223 ton/GWh [37]​ [38]​ [39]​ 2,7 toneladas/año 5,3 toneladas/año 3,4 toneladas/año
Rusia 351 ton/GWh [37]​ [38]​ 1,8 toneladas/año 4,4 toneladas/año 5,4 toneladas/año
Estados Unidos 676 toneladas/GWh [38]​ −0,5 toneladas/año 2,2 toneladas/año 10,3 toneladas/año
China 839 ton/GWh [37]​ [38]​ −1,6 toneladas/año 1,0 tonelada/año 12,8 toneladas/año

El ahorro de emisiones de GEI de una bomba de calor en comparación con un horno convencional se puede calcular con la siguiente fórmula: [40]​

  • HL = carga de calor estacional ≈ 80 GJ/año para una casa unifamiliar moderna en el norte de EE. UU.
  • FI = intensidad de emisiones del combustible = 50 kg(CO 2)/GJ para gas natural, 73 para gasóleo de calefacción, 0 para energía 100% renovable como la eólica, hidráulica, fotovoltaica o solar térmica
  • AFUE = eficiencia del horno ≈ 95% para un horno de condensación moderno
  • COP = coeficiente de rendimiento de la bomba de calor ≈ 3,2 ajustado estacionalmente para la bomba de calor del norte de EE. UU.
  • EI = intensidad de emisiones de electricidad ≈ 200–800 toneladas (CO 2)/GWh, dependiendo de la combinación de plantas de energía eléctrica de la región (carbón versus gas natural versus nuclear, hidroeléctrica, eólica y solar)

Las bombas de calor geotérmicas siempre producen menos gases de efecto invernadero que los aires acondicionados, las calderas de gasóleo y la calefacción eléctrica, pero las calderas de gas natural pueden ser competitivas dependiendo de la intensidad de los gases de efecto invernadero del suministro eléctrico local. En países como Canadá y Rusia con infraestructura eléctrica de bajas emisiones, una bomba de calor residencial puede ahorrar 5 toneladas de dióxido de carbono por año en comparación con una caldera de petróleo, o casi tanto como sacar de la carretera un automóvil de pasajeros promedio. Pero en ciudades como Beijing o Pittsburgh, que dependen en gran medida del carbón para la producción de electricidad, una bomba de calor puede generar 1 o 2 toneladas más de emisiones de dióxido de carbono que una caldera de gas natural. Sin embargo, para las áreas que no cuentan con infraestructura de servicios públicos de gas natural, no existe una mejor alternativa.

Los fluidos utilizados en los circuitos cerrados pueden estar diseñados para ser biodegradables y no tóxicos, pero el refrigerante utilizado en el gabinete de la bomba de calor y en los circuitos de intercambio directo era, hasta hace poco, clorodifluorometano, que es una sustancia que agota la capa de ozono. Aunque son inofensivas mientras están contenidas, las fugas y la eliminación inadecuada al final de su vida útil contribuyen a agrandar el agujero de la capa de ozono. Para las nuevas construcciones, este refrigerante se está eliminando gradualmente en favor del potente gas de efecto invernadero R410A, que no daña la capa de ozono. Los sistemas de circuito abierto (es decir, aquellos que extraen agua subterránea a diferencia de los sistemas de circuito cerrado que utilizan un intercambiador de calor de pozo) deben equilibrarse reinyectando el agua gastada. Esto evita el agotamiento de los acuíferos y la contaminación del suelo o las aguas superficiales con salmuera u otros compuestos del subsuelo.

Antes de perforar, es necesario comprender la geología subterránea y los perforadores deben estar preparados para sellar el pozo, incluida la prevención de la penetración de agua entre los estratos. El desafortunado ejemplo es un proyecto de calefacción geotérmica en Staufen im Breisgau, Alemania, que parece causar daños considerables a los edificios históricos de la zona. En 2008, se informó que el centro de la ciudad había aumentado un 12 cm, [41]​ después de hundirse inicialmente unos pocos milímetros. [42]​ La perforación explotó un acuífero naturalmente presurizado y, a través del pozo, esta agua entró en una capa de anhidrita, que se expande cuando se moja formando yeso. La hinchazón se detendrá cuando la anhidrita haya reaccionado por completo y la reconstrucción del centro de la ciudad "no es conveniente hasta que cese la elevación". En 2010, no se había logrado sellar el pozo. [43]​ [44]​ [45]​ En 2010, algunas secciones de la ciudad habían aumentado un 30 cm. [46]​

Economía[editar]

Las bombas de calor geotérmicas se caracterizan por altos costos de capital y bajos costos operativos en comparación con otros sistemas HVAC. Su beneficio económico general depende principalmente de los costos relativos de la electricidad y los combustibles, que son muy variables a lo largo del tiempo y en todo el mundo. Según los precios recientes, las bombas de calor geotérmicas tienen actualmente costos operativos más bajos que cualquier otra fuente de calefacción convencional en casi todo el mundo. El gas natural es el único combustible con costos operativos competitivos, y sólo en un puñado de países donde es excepcionalmente barato o donde la electricidad es excepcionalmente cara. [47]​ En general, un propietario de vivienda puede ahorrar entre un 20% y un 60% anualmente en servicios públicos al cambiar de un sistema ordinario a un sistema de fuente terrestre. [48]​ [49]​

Los costos de capital y la vida útil del sistema han sido objeto de mucho menos estudio hasta hace poco, y el retorno de la inversión es muy variable. El rápido aumento del precio del sistema ha ido acompañado de rápidas mejoras en la eficiencia y la fiabilidad. Se sabe que los costos de capital se benefician de las economías de escala, particularmente para los sistemas de circuito abierto, por lo que son más rentables para edificios comerciales más grandes y climas más severos. El costo inicial puede ser de dos a cinco veces mayor que el de un sistema de calefacción convencional en la mayoría de aplicaciones residenciales, de nueva construcción o existentes. En las modernizaciones, el costo de instalación se ve afectado por el tamaño de la sala de estar, la antigüedad de la casa, las características de aislamiento, la geología del área y la ubicación de la propiedad. En el costo inicial del sistema se debe considerar el diseño adecuado del sistema de conductos y el intercambio mecánico de aire.

Recuperación de la inversión para la instalación de una bomba de calor geotérmica en una residencia independiente
País Período de recuperación para el reemplazo.
Gas natural Aceite de calefaccion Calefacción eléctrica
Canadá 13 años 3 años 6 años
A NOSOTROS 12 años 5 años 4 años
Alemania pérdida neta 8 años 2 años
Notas:
  • Altamente variable con los precios de la energía.
  • Subvenciones gubernamentales no incluidas.
  • Diferencias climáticas no evaluadas.

Los costos de capital pueden compensarse con subsidios gubernamentales; por ejemplo, Ontario ofreció 7.000 dólares por sistemas residenciales instalados en el año fiscal 2009. Algunas compañías eléctricas ofrecen tarifas especiales a los clientes que instalan una bomba de calor geotérmica para calentar o enfriar su edificio. [50]​ Cuando las plantas eléctricas tienen cargas mayores durante los meses de verano y capacidad inactiva en el invierno, esto aumenta las ventas de electricidad durante los meses de invierno. Las bombas de calor también reducen el pico de carga durante el verano debido a la mayor eficiencia de las bombas de calor, evitando así la costosa construcción de nuevas centrales eléctricas. Por las mismas razones, otras empresas de servicios públicos han comenzado a pagar la instalación de bombas de calor geotérmicas en las residencias de los clientes. Arrendan los sistemas a sus clientes por una tarifa mensual, lo que supone un ahorro global neto para el cliente.

La vida útil del sistema es más larga que la de los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración. Aún no se dispone de buenos datos sobre la vida útil del sistema porque la tecnología es demasiado reciente, pero muchos de los primeros sistemas todavía están operativos hoy después de 25 a 30 años con mantenimiento de rutina. La mayoría de los campos circulares tienen garantías de 25 a 50 años y se espera que duren al menos 50 a 200 años. [48]​ [51]​ Las bombas de calor geotérmicas utilizan electricidad para calentar la casa. La mayor inversión por encima de los sistemas convencionales de petróleo, propano o eléctricos puede recuperarse en ahorros de energía en un plazo de 2 a 10 años para los sistemas residenciales en los EE. UU. [52]​ [49]​ [51]​ El período de recuperación de la inversión para sistemas comerciales más grandes en Estados Unidos es de 1 a 5 años, incluso en comparación con el gas natural. [49]​ Además, debido a que las bombas de calor geotérmicas generalmente no tienen compresores exteriores ni torres de enfriamiento, el riesgo de vandalismo se reduce o elimina, lo que potencialmente extiende la vida útil del sistema. [53]​

Las bombas de calor geotérmicas están reconocidas como uno de los sistemas de calefacción y refrigeración más eficientes del mercado. A menudo son la segunda solución más rentable en climas extremos (después de la cogeneración), a pesar de las reducciones en la eficiencia térmica debido a la temperatura del suelo. (La fuente terrestre es más cálida en climas que necesitan un fuerte aire acondicionado y más fría en climas que necesitan una fuerte calefacción). La viabilidad financiera de estos sistemas depende del tamaño adecuado de los intercambiadores de calor terrestres (GHE), que generalmente contribuyen más a la costos de capital generales de los sistemas GSHP. [54]​

Los costos de mantenimiento de los sistemas comerciales en los EE. UU. históricamente han estado entre $0,11 y $0,22 por m 2 por año en dólares de 1996, mucho menos que el promedio de $0,54 por m 2 por año para los sistemas HVAC convencionales. [6]​

Los gobiernos que promueven la energía renovable probablemente ofrecerán incentivos para los mercados de consumo (residencial) o industrial. Por ejemplo, en Estados Unidos se ofrecen incentivos tanto a nivel de gobierno estatal como federal.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. ↑ «Heat pumps are hot items. But for people living in condos, getting one presents some challenges». 
  2. ↑ Kalogirou, Soteris & Florides, Georgios. (2004). Measurements of Ground Temperature at Various Depths, conference paper 3rd International Conference on Sustainable Energy Technologies, Nottingham, UK, https://www.researchgate.net/publication/30500372_Measurements_of_Ground_Temperature_at_Various_Depths https://ktisis.cut.ac.cy/bitstream/10488/870/3/C55-PRT020-SET3.pdf
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