bombas de calor geotermicas

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Fun,damentos sobre las
bombas de calor geotérmicas
Las bombas de calor geotérmicas
son equipos denominados aguaagua, dado que el fluido caloportador que circula al interior
y al exterior de la instalación
es el agua, el cual realiza un
intercambio exterior con una
fuente de calor situada en el
terreno (suelo, aguas subterráneas,
aguas de pozo... ).
I POR R.
UBío I PRODUCT MANAGER AGUA DE CIATESA
I ESTAS BOMBAS DE CALOR, situadas en instalaciones en las
foco frío para que, mediante el
que se dispone el espacio suficiente para la implantación del
aporte de trabajo al compresor,
medio de Intercambio, suponen una mejora sustancial en la efi-
el fluido refrigerante transmita
ciencia y, por lo tanto, una reducción del consumo de las mismas
esta energía en forma de calor
respecto a las tradicionales bombas de calor. Este aspecto es de
al foco caliente (local a climati-
suma importancia en el actual marco donde la preocupación por
zar). En modo refrigeración se
las emisiones de CO 2 al ambiente, debido al consumo masivo
realizan los intercambios con-
de electricidad, aumenta progresivamente en la sociedad y en
trarios. Estos se pueden reali-
las autoridades.
zar de diversas formas y con
Debido a este último aspecto, en la propuesta de Directiva
distintos fluidos. La eficiencia
Europea de Fomento del Uso de Energía procedente de Reno-
de la máquina dependerá, en
vables, con fecha 23/01/2008, se propone a estas máquinas
el caso de calefacción, de la
como energía renovable.
relaCión entre la potencia que
I FUNDAMENTOS DE LA BOMBA
DE CALOR I
consumo del compresor,
El fundamento del funcionamiento de la bomba de calor, cuan-
COP =
se ceda al foco caliente y el
do trabaja en modo calefacción, se basa en extraer calor de un
86
I SEPTIEMBRE
2008
I MONTAJES E INSTALACIONES
Gráfico 1.Esquema de
principio de bomba
de calor en modo
calefacción, siendo
Te' Temperatura foco
caliente; Pe' Potencia
calorífica entregada
(kw.); TI' Temperatura
foco frío y PI' Potencia
frigorífica retirada (kw.)
I GEOTERMIA I
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mientras que, en el caso de refrigeración, de la potencia extraí-
los mismos, así como de las propiedades de los fluidos. Las
da del foco frío y el consumo del compresor.
condiciones de contorno del ciclo serán las temperaturas de los
focos, los caudales de los fluidos de transferencia y la geometría de los intercambiadores.
EER =
El rendimiento ideal de la máquina de Carnot viene determinado por la fórmula:
Los componentes de la bomba de calor son los siguíentes:
compresor, que comprime el gas, aumentando su presión
T,
COP=
_
mediante el consumo de energía eléctrica; condensador, donde el refrigerante condensa a una temperatura mayor a la del
foco caliente y cede calor a éste; válvula de expansión, donde
siendo T¡ la temperatura del foco frío y Te la temperatura del
el refrigerante disminuye su presión al expansionarse, y, por
foco caliente, lo que nos indica que el rendimiento de una
último, evaporador, donde el refrigerante se evapora a una
máquina será mayor cuanto mayor sea la temperatura del foco
temperatura menor que la del foco frío, extrayendo calor del
frío y menor sea la diferencia de temperaturas de ambos focos.
mismo.
Esta premisa se puede advertir en el diagrama presión-entalpía,
de tal manera que, cuanto más cercanas estén las líneas de evaporación y condensación, el trabajo de compresión sea menor
y, por lo tanto, el COP mayor.
Compresor
I DISEÑO Y TECNOLOGíA DE LAS
BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS I
Existen dos tipologías de tecnología para las bombas de calor
agua-agua que se utilizan para la geotermia: los equipos no
reversibles y los reversibles.
I EQUIPOS NO REVERSIBLES I
En esta tipología no se produce la inversión del ciclo frigorífico,
de tal manera que el refrigerante discurre siempre en el mismo
Gráfico 2, Ciclo de bomba de calor.
Componentes que lo forman
sentido y los intercambiadores actúan como condensador y
evaporador, respectivamente, en toda circunstancia. El cambio
de funcionamiento se realiza en ellos en el lado del agua. Para
ello existe un circuito hidráulico por el que, dependiendo de si
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de las válvulas hace que el agua fría y caliente transite por una
u otra dirección. En el diagra-
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las necesidades son de calefacción o refrigeración, el conjunto
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ma de funcionamiento puede
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observarse cuál es el modo de
operación en calefacción.
I EQUIPOS REVERSIBLES I
En esta tipología la inversión se
produce en el ciclo frigorífico
mediante una válvula de cua-
Gráfico 3. Diagrama presión-entalpía
del ciclo de bomba de calor
tro vías que direcciona el flujo
de refrigerante hacia el intercambiador del agua enviada al
exterior o al interior en función
de si las necesidades son de
La resolución del ciclo viene gobernada por ecuaciones de
calefacción o refrigeración. De
conservación de masa y energía en cada uno de los compo-
esta forma, en calefacción el
nentes, así como las ecuaciones de transferencia de calor en
intercambiador interior actúa
los mismos. Dicha resolución dependerá de la geometría de
como condensador y calienta
Gráfico 4. Esquema
de funcionamiento
bomba de calor aguaagua no reversible
modo calefacción
MONTAJES E INSTALACIONES I SEPTIEMBRE 2008 I 87
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Las bombas de calor geotérmicas aportan una funcionalidad añadida,
que es la producción de agua para satisfacer la demanda de agua
caliente sanitaria (ACS). Esto se puede hacer de dos formas diferentes:
internamente o externamente
placas de acero inoxidable soldadas, dotado de gran compacidad y resistencia. Sin embargo, debido a su sensibilidad
al ensuciamiento, es necesario que se coloquen filtros de
malla en sus entradas. El intercambio se produce en ellos
con alta eficiencia.
Otro aspecto de vital importancia es el sentido de intercambio
en ambos. Éste puede ser equi-corriente (mismo sentido) o
contra-corriente (sentido contrario). En función de que estos
Gráfico 6. Bomba
de calor agua-agua
geotérmica ÁUREA
2 de CIATESA
Gráfico 5. Esquema de principio
de bomba de calor reversible
geotérmica. Fuente: CIATESA
el agua que circula a la instalación; en el caso contrario, actuará
como evaporador y el agua será enfriada. En el caso de calefacción, el intercambiador exterior actúa como evaporador y el agua
que sale de él se manda al terreno para que, tras el intercambio,
aumente su temperatura y de nuevo retorne al evaporador; en el
caso de refrigeración, el modo de operación será el contrario.
I COMPONENTES I
- COMPRESOR. La tecnología que se utiliza para estas máquinas es del tipo hermético scroll, que aporta ventajas tales como
una mayor eficiencia, menor volumen, menor vibración y nivel
sonoro, bajo peso y compacidad. Los refrigerantes utilizados
actualmente son los HFC (R410a, R407c), que no perjudican la
sentidos se establezcan de una forma u otra en condensador
y evaporador, se producirá una mayor o menor potencia de
intercambio. La solución de compromiso es el condensador en
contra-corriente y el evaporador en equi-corriente. Si bien, en
el caso que sea la calefacción lo que prevalezca, los dos estarán
en contra-corriente.
- GRUPO HIDRÁULICO INCORPORADO. En modelos de
pequeña potencia, además de la bomba de circulación se suele
incorporar el grupo hidrául ico completo para la instalación
interior, el cual incluye: vaso de expansión, termo-manómetros,
purgadores de aire, válvulas de seguridad, etc.
I OTRAS FUNCIONALIDADES: PRODUCCiÓN
DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) I
Las bombas de calor geotérmicas aportan una funcionalidad añadida, que es la producción de agua para satisfacer
la demanda de agua caliente sanitaria (ACS). Esto se puede
hacer de dos formas diferentes: internamente, colocando un
intercambiador de gases calientes a la salida del compresor,
lo que permite producir constantemente -en modo calefacción
o refrigeración- agua caliente, o bien externamente, mediante
una válvula de tres vías que, cuando sea necesario, enviará
agua al depósito de ACS. En este último caso la bomba de
calor debe estar trabajando en modo de calefacción. Debido a
las buenas condiciones del terreno, esta producción se realiza
con una eficiencia notable. Se presentan a continuación ambos
esquemas de funcionamiento:
capa de ozono. En el futuro existe la posibilidad de los llamados refrigerantes naturales, como el propano o el amoníaco,
sin potencial de efecto invernadero. El rendimiento (COP) de
I FUNDAMENTOS Y TIPOLOGíA
DEL INTERCAMBIO CON EL TERRENO I
estos compresores se sitúa entre 4 y S para el caso de bombas
geotérmicas de unos 17 kW. (Fuente: CIATESA).
La tierra experimenta un ascenso de su temperatura conforme
aumenta la distancia a la superficie y se produce acercamiento
- CONDENSADOR Y EVAPORADOR. La tecnología utilizada
para estos componentes es la del tipo intercambiador de
al núcleo. Esto supone que en las distintas capas de la tierra
se acumula una energía que puede ser usada como sumidero
o fuente de energia. En función de la temperatura a la que se
88 I SEPTIEMBRE 2008 I MONTAJES E INSTALACIONES
I GEOTERMIA I
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9. Esto es debido a la
elevada inercia térmica que presenta el
terreno, de tal forma que, conforme se
avanza en profundidad, menos energía
...
""","o
se transmite y es más
necesaria ésta para
producir variación.
La energía que se
utiliza para el intercambio con la bomba
Gráfico 7. Esquema de bomba de calor con producción
de ACS mediante intercambiador de gases calientes
Gráfico 9. Evolución diaria
a lo largo de un año de la
temperatura media en función
de la profundidad
de calor se denomina
"energía geotérmica
de baja temperatura".
A la profundidad que ésta se utiliza para la bomba de calor
la temperatura se encuentra muy cercana a la de confort. Por
ello se consigue una eficiencia alta! debido a que trabaja con
menores saltos térmicos que las convencionales.
Para dimensionar un intercambiador enterrado es necesario
tener en cuenta las condiciones del terreno. La propiedad fundamental que determina este intercambio es la conductividad
del mismo, la cual viene afectada por la textura, la humedad y
la densidad del material que lo compone.
Existen formulaciones matemáticas que predicen el comportamiento del terreno y su interacción con intercambiadores
tubulares enterrados. A partir de ellas se pueden dimensionar qué longitud, diámetro, separación y número de tubos
son necesarios, según tipología, para disipar la energía
Gráfico 8. Esquema de bomba de calor con producción
de ACS mediante válvula de tres vías
procedente de una bomba de calor. Este dimensionado
dependerá del uso que se dé a la instalación y de la potencia
térmica a disipar en cada momento; del fluido que se utilice
para el intercambio; de la resistencia térmica del terreno,
encuentre esta energía, denominada geotérmica, se divide en
alta temperatura ( > 150 oC), media (35 oC -150 oC) y baja tem-
que viene determinada por las características del material
peratura «35 oC).
diciones climáticas del lugar. Todas estas características son
Esta energía que se acumula en la tierra procede del sol, por
lo que es dependiente en primera instancia del intercambio
integradas para que se puedan realizar simulaciones con las
que se analicen su comportamiento.
que lo compone como antes se ha indicado, y de las con-
térmico que se produzca en su superficie. Dicho intercambio
Es muy importante el análisis y simulación del comporta-
se verá afectado por las condiciones meteorológicas del lugar
miento del intercambio de estos dispositivos con el terreno.
(irradiación, temperatura, etc.), de las propiedades transmi-
Dicho intercambio no es comparable con otros, debido a las
sivas y absortivas del terreno y de otros factores, como la
características del medio. El dimensionado del intercambia-
velocidad del viento, que afecta al intercambio convectivo. La
dor es vital para que el intercambio con el terreno se pueda
transmisión de la energía de la superficie hacia el interior del
realizar de manera correcta, en función de las condiciones
terreno es función de las propiedades de los materiales que lo
climáticas y de cargas necesarias a lo largo del año. El
componen, de otros intercambios energéticos, si se producen,
terreno tiene gran inercia térmica, como hemos indicado
y de las condiciones iniciales del mismo.
anteriormente, pero no es un sumidero con el que se pueda
Al aumentar la distancia a la superficie del terreno, las alte-
realizar un intercambio infinito. Es decir, un mal diseño puede provocar la saturación del terreno. Otro error que puede
raciones de la temperatura en función de las condiciones
climáticas exteriores van siendo menores. Así, a partir de
ocurrir por un mal diseño es que no sea capaz de inter-
una determinada profundidad, la temperatura del terreno
cambiar la potencia máxima necesaria. Todo ello incide en
permanece constante, como se puede obsel'\lar en el Gráfico
la necesidad de que se dimensionen correctamente estos
MONTAJES E INSTALACIONES I SEPTIEMBRE 2008 I 89
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y son sencillos de instalar.
Tienen peligro de interferen~
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Gráfico 10. Pantallas del software GeoCiatesa
(Fuente: CIATESA)
cia constructiva, por lo que
necesitan gran coordinación
en obra. La distancia de los
tubos a la superficie oscila
entre 60 y 120 cm.
CAPTADOR VERTICAL. Se
caracterizan
por
estar
a
mayor profundidad. por lo
que ocupan menos
intercambiado res, así como en tener los conocimientos y
super~
ficie. Se ven menos afecta~
los medios adecuados para realizarlo.
dos por las oscilaciones de
Como se puede comprobar, en una temporada de calor
temperatura. La profundidad
la temperatura del terreno sometido a un intercambio
varia entre los SO y los 1SO
Gráfico 12. Captadores
verticales( Fuente:
GeoCiatesa)
va teniendo ciclos diarios en los que se va alcanzando
metros, utilizando material de relleno. Necesitan' menor longi~
una temperatura mayor. En una temporada de frío ocurre
tud relativa de tubería. El coste de instalación y la dificultad de
al contrario. Por ello es importante que una temporada
ejecución son mayores.
contrarreste a la otra. Así, el diseno para una bomba que
sólo va a trabajar en calor o frío debe de contemplar esto
CAPTADOR SLlNKY. Es un tipo mixto. Se encuentran proxl~
cuidadosamente. Existen softwares, como el GeoCiatesa,
mos a la superficie, por lo que están influenciados por las
que proceden de un estudio científico basado en la expe~
fluctuaciones
riencia y análisis de simulaciones, que integran todo ello y
de temperatu~
son capaces de dimensionar el intercambiador enterrado
ra
necesario según todo lo comentado.
Son más
com~
pactos,
pero,
I TIPOLOGfA DE INTERCAMBIADORE5 I
~REDES
ambiente.
a la vez, más
DE REFRIGERANTE. Utilizan refrigerante como fluido.
Se caracterizan por tener un coste medio~alto. en función de la
laboriosos
instalar
de
que
obra civil necesaria. Se precisa de un gran volumen de refrige~
los
rante, lo que va en contra de lo que marcan las distintas nor~
les. Se utilizan
horizonta~
Gráfico 13. Captadores slinky (Fuente:
ELK 2004. Cortesía EVE)
mativas que limitan el uso de éste. La reparación de las fugas
para pequeñas
entraña gran dificultad y es muy costosa.
potencias.
~REDES
I EFICIENCIA DE LAS BOMBAS
DE CALOR GEOTÉRMICAS I
DE AGUA. Su uso es el más extendido. Es necesario
el uso de agua glicolada cuando se trabaja con temperaturas
de evaporación negativas. Para su implantación se emplean
Por todo lo expuesto anteriormente se puede deducir que el
tuberías de plástico. Es muy importante la ejecución de la
ciclo que realiza una bomba de calor geotérmica tiene una
instalación para el correcto funcionamiento. En este tipo de
eficiencia más alta.
intercambiador se distinguen las siguientes tipologías.
Si se analizan los rendimientos instantáneos de los equipos
geotérmicos respecto a los convencionales aire~agua, expues~
HORIZON~
tos en las Tablas 1 y 2. estos vienen a refutar lo que predice
TAL. Se caracterizan por
el rendimiento ideal del ciclo de Carnot, por lo que, al tener
CAPTADOR
Gráfico 11. Captadores
horizontales (Fuente:
GeoCiatesa)
estar próximos a la super~
unos saltos de temperatura menores y las temperaturas de
ficie, por lo que se encuen~
condensación y evaporación más cercanas, la eficiencia del
tran
ciclo aumenta.
más
influenciados
por las fluctuaciones de
De esta forma, en ciclo de calor y para unas condiciones
la temperatura ambiente.
iguales de temperatura de agua hacia la instalación, la bom~
Ocupan mayor superficie
ba de calor aire~agua evapora contra el ambiente a O°C, lo
y tienen mayor riesgo de
que hace que la temperatura de evaporación del refrigerante
rotura.
dimensionan
se encuentre en torno a los 9°C. Por su parte, en la bomba
para pequenas potencias
de calor geotérmica, el agua de evaporación está entre O y
Se
90 I SEPTIEMBRE 2008 I MONTAJES E INSTALACIONES
I GEOTERMIA I
•••••••••
Temperatura ambiente I
Temperatura
Temperatura
Temperatura
COP
Equipo~
2.5
Equipo Agua-Agua (geotérmico)
3.4
Temperatura ambiente
Equipo~
Equipo Agua.Agua (geotérmico)
I
Temperatura
Temperatura
Temperatura
.... condenuclón
a»ndensaci6n
ague interior
evapor~ón
i1CJOC
58"<:
35°C
711Z'C
20C
7/12°C
2°C
25/30°C
5°C, mientras que la evaporación se sitúa en torno a los ·5%
Por todo ello, la bomba de calor aire-agua tiene un COP de
2.5 y la geotérmica de 3.4.
Si observamos el ciclo de frío, la mejora es mayor. Con condiciones iguales de temperatura de agua hacia la instalación,
la bomba de calor condensa contra un aire a 40°C, con lo
que el refrigerante condensa a 58°C. La bomba de calor
geotérmica, por su parte, condensa con agua a 25-30°C,
con lo que el refrigerante condensa a 35°C. Por todo ello, la
bomba de calor aire-agua tiene un COP de 1.9, mientras que
la geotérmica sube hasta 4.7.
Los rendimientos instantáneos son importantes, porque
muestran las condiciones que se consideran nominales para
el funcionamiento de un equipo. Si bien, lo que realmente
califica la eficiencia de un equipo es el rendimiento medio
estacional (Cooling Seasonal Performance Factor (CSPF) y el
Heating Seasonal Performance Factor (HSPF)). Para ello se
suma la energía calorífica o frigorífica aportada a lo largo de
un año y se divide entre la energía consumida en dicho periodo. En esto se basan los programas oficiales de certificación
energética (CALENER) que se usan para la calificación de
Viviendas y edificios, según lo establecido en el Real Decreto
47/2007 del 19 de enero de 2007.
Si analizamos los rendimientos mediOS estacionales de las
bombas de calor geotérmlcas respecto a las bombas de
calor aire-agua, la diferencia a favor de las prímeras se hace
aún mayor. Esto se produce dado que las condiciones a lo
largo del año para las bombas geotérmicas son mucho más
estables y cercanas a las temperaturas de confort que las
mismas para las bombas de calor aire-agua. Otra de los
factores que las benefician es que en ellas no se producen
los desescarches, lo cual afecta enormemente al rendimiento
medio estacional.
COP
1.9
4.7
Si nos basamos en los datos del proyecto GEOCOOL, Ground
Source Heat Pump System for Cooling and Heating in the
South European Region. Publishable Final Report. V FP. Contract n° NNE5/2001/847, en el que participa CIATESA, tenemos los siguientes datos:
Para las condiciones estudiadas, en temporada de calefacción, el rendimiento medio estacional (HSPFl, calculado por
modelos matemáticos, es para la bomba de calor aire-agua de
2.96 y para la geotérmica de 3.9, mientras que los resultados
experimentales muestran que el HPSF para la bomba de calor
aire-agua baja hasta 2, mientras que el de la geotérmica se
queda en 3.46.
Para la temporada de frío, el rendimiento medio estacional
(CSPF) calculado para las bombas de calor aire-agua es de
2.82 y para la geotérmica 46, mientras que el experimental
es para la bomba de calor aire-agua 2.68 y para la geotérmica 4.36.
Con todos estos datos queda demostrada la diferenCia
en eficiencia que existe entre ambas bombas de calor, en
claro beneficío para las bombas de calor geotérmicas, que
mejoran un 60-75% los rendimientos medios estacionales
de la aire-agua . •
Las bombas de calor
geotérmicas mejoran en un
60-75% los rendimientos medios
estacionales de la aire-agua
MONTAJES E INSTALACIONES I SEPTIEMBRE 2008 I 91