Bomba de Calor Geotérmica

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BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS
DESCRIPCIÓN
Una bomba de calor es una máquina que transfiere el calor desde un foco frío a otro
caliente utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las bombas de
calor aprovechan la energía existente en el ambiente (foco frío), tanto en el aire
como en el agua o la tierra, permitiendo calefactar las dependencias interiores (foco
caliente) con una aportación relativamente pequeña de energía.
La bomba de calor geotérmica extrae energía térmica del suelo en invierno
transfiriéndola al interior del edificio, mientras que en verano extrae el calor del
interior del edificio y lo devuelve al subsuelo(Figura 1).
Figura 1. Esquema de funcionamiento de bomba de calor geotérmica.
(IDAE- ATECYR, 2010)
PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS
El principio de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica se basa en el ciclo
termodinámico de compresión, para un ciclo de calefacción en invierno, un medio
refrigerante extrae el calor del medio ambiente exterior (suelo), evaporándose a
continuación. Un compresor eleva la presión y temperatura del refrigerante (gas), y
posteriormente transfiere el calor al interior del recinto al condensarse el medio
refrigerante. El fluido refrigerante en estado líquido y a una alta presión y
temperatura se expande en la válvula de expansión, reduciendo su presión y
temperatura (Figura2).
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Figura 2. Esquema de una bomba de calor geotérmica en ciclo de calefacción
(Geo-Heat Center, Klamath Falls, Oregon, USA).
Las bombas de calor pueden estar alimentadas por corriente eléctrica o por motores
a gas.
VENTAJAS E INCONVENIENTES
Entre las ventajas de las bombas de calor se encuentran:
•
Alta eficiencia energética
•
Permite la climatización integral y la generación de agua caliente doméstica,
todo en un único aparato.
•
Combina muy bien con sistemas como el suelo radiante.
•
Reducción de las emisiones de CO2
•
Permite aprovechar todo tipo de fuentes de calor (suelo, agua, aire).
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y/O APLICACIÓN
Elección de la bomba de calor
Las especificaciones de la bomba de calor fijan varios parámetros de diseño del
intercambiador de calor enterrado, ya que nos determinan el calor intercambiado
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con el suelo y el caudal circulante por el intercambiador de calor, además de fijar el
rendimiento del sistema (Coefficient of Performance COP) de acuerdo con sus curvas
características de potencia-temperatura.
La selección de la bomba de calor se realiza a partir de un cálculo de cargas térmicas
de acuerdo a las exigencias de diseño y dimensionado especificadas en el Reglamento
de Instalaciones Térmicas (RITE).
Elección del fluido circulante
El fluido circulante por el intercambiador de calor enterrado es agua o agua con
anticongelante, si se prevé en diseño que el intercambiador geotérmico puede tener
riesgo de congelación (elevado funcionamiento en calefacción, temperaturas frías de
terreno, etc.). La elección del fluido dependerá de distintos factores:
•
Características de transferencia de calor (conductividad térmica y viscosidad)
•
Punto de congelación
•
Requerimientos de presión y caídas de presión por rozamiento
•
Corrosividad, toxicidad e inflamabilidad
•
Coste
Elección de la configuración a emplear
Los tipos de configuraciones más usuales suelen atender a los siguientes criterios de
clasificación:
•
Según el tipo de instalación
o Horizontal (Figura 3), según el número de tubos puede ser
ƒ
Simple
ƒ
Doble
Figura 3. Instalación horizontal (UBeG)
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o Vertical, según el tipo de tubería instalada
ƒ
Simple U
ƒ
Doble U (Figura 4)
ƒ
Coaxial
Figura 4. Instalación vertical doble en U (UBeG)
o “Slinky” es una variante de la horizontal consistente en disponer la
tubería formando bucles o espiras
ƒ
En zanja horizontal (Figura 5)
ƒ
En zanja vertical
Figura 5. Instalación tipo “Slinky” en zanja horizontal (UBeG)
Elección de los tubos
El polietileno (PE) y polibutileno (PB) son los materiales más comunes en los
intercambiadores de calor enterrados.
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Dimensionamiento del intercambiador de calor enterrado
El intercambio de calor vendrá fijado por la diferencia de temperaturas entre el
suelo y el fluido que circule por el intercambiador, por lo tanto, para dimensionar el
intercambiador de calor enterrado en primer lugar hay que determinar estas
temperaturas:
•
Temperatura máxima y mínima de la tierra
•
Temperaturas máximas y mínimas de entrada del fluido a la bomba de calor
•
Diferencia de temperatura entre la tierra y el circuito
•
Resistencia de los tubos al flujo de calor
•
Cálculo de la resistencia de la tierra
•
Cálculo del factor de utilización (fracciones de enfriamiento y calefacción)
•
Cálculo de la longitud del intercambiador enterrado
Selección bomba de circulación
Para la selección de la bomba de circulación del intercambiador de calor enterrado
se tendrá en cuenta el caudal fijado por la bomba de calor seleccionada y la caída de
presión del ramal del intercambiador más desfavorable.
Muchos modelos de bombas de calor para estas aplicaciones llevan ya incorporada
una bomba de circulación para el bucle enterrado.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Un ejemplo de aplicación de bomba de calor geotérmica para climatización y
producción de agua caliente sanitaria (ACS) para una vivienda puede componerse
por:
•
Bomba de calor geotérmica reversible (suelo/ agua). El intercambio de calor
con el terreno exterior se realiza a través de un captador geotérmico, que
pueden ser de dos tipos: captadores geotérmicos verticales y horizontales. Las
ventajas e inconvenientes entre estos dos tipos de captadores se recogen en
la Tabla1.
•
Sistema de suelo radiante para calefacción y refrigeración
•
Sistemas de regulación: Sistema de regulación de temperatura del agua y
sistema de regulación de temperatura de confort en cada habitación
•
Equipo fan-coil de apoyo, opcional según el tipo y ubicación geográfica del
proyecto.
•
Energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria (ACS).
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CAPTADOR VERTICAL CAPTADOR HORIZONTAL Temperatura del suelo Constante en el año Varia ligeramente en el año Requerimiento de terreno Mínimo Alto Uso del terreno Libre Limitado Transmisión de la energía Muy buena Buena Consumo de energía Muy bajo Bajo Relación de cálculo 1/0,75‐1 1/1,5‐2 (m2 suelo radiante/m perforado) (m2 suelo radiante/m2 terreno) Costes de instalación Mayor Menor (aprox. 50% captador vertical) Tabla 1. Comparación entre captadores geotérmicos verticales y horizontales (Galarza, 2008)
REFERENCIAS TÉCNICAS
Galarza, V. (2008). Sistemas integrales de eficiencia energética para calefacción,
climatización y agua caliente sanitaria. Obras Urbanas, 56-64.
IDAE- ATECYR. (2010). Guía técnica de diseño de sistemas de bomba de calor
geotérmica. Ahorro y eficiencia energética en climatización, 14. 48 pp.
LLopis, G.; López, C. (2009). Energía geotérmica superficial para la climatización de
edificios. Ingeopres: Actualidad técnica de ingeniería civil, minería, geología y medio
ambiente, Nº. 180, 44-48 pp.
Mands, E.; Sanner, B. Energía geotérmica a poca profundidad. UBeG GBR. 12 pp.
Pérez, D. (2010). La climatización al estilo nórdico. Análisis de la bomba de calor
geotérmica en el panorama energético español. Energética XXI, 88-89.
Rúiz, J. (2010). Utilización de la energía geotérmica en climatización. Energética
XXI, 86-87.
Vegas, J.M.; Rodríguez, J.M. (2009). Energia geotérmica, princípios básicos. Rehau,
S.A. 17 pp.
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