Bomba de calor geotérmica para calefacción y refrigeración ¿Cómo funciona?

Independientemente de que la instalación esté orientada a la generación de energía térmica o eléctrica, el objetivo de la geotermia es, en realidad, la recuperación de la temperatura interior terrestre, para su aprovechamiento.

De la citada recuperación de la temperatura existente en el subsuelo se encarga una bomba de calor geotérmica. En este artículo vamos a explicar cómo funciona una bomba de calor geotérmica, cómo extrae la energía del subsuelo, y compararemos su consumo con una bomba aerotérmica. 

• ¿Cómo funciona la geotermia?
• Tipos de captación geotérmica 
• Ventajas e inconvenientes de la geotermia
• ¿Cuánto consume una bomba de calor geotérmica?
• ¿Qué es más eficiente, la geotermia o la aerotermia?  

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¿Cómo funciona una bomba de calor geotérmica?  

Su funcionamiento comparte técnica con otro tipo de bombas de calor presente en los habituales equipos de aire acondicionado; una función realizada por el fluido de trabajo de estos sistemas (fluido caloportador), junto con el papel que desempeñan el resto de los elementos que conforman el circuito:

Fuente: Libro La Bomba de Calor de AFEC

• Compresor: Equipo encargado de aumentar la presión del fluido, y con ello aumentar la temperatura.
• Evaporador: Equipo encargado de reducir la presión, y a su vez, la temperatura.

Con este juego de cambio de presiones, se trasladará la temperatura deseada desde el interior terrestre, a los sistemas de reparto de las viviendas o estancias.

Una vez que tiene lugar el trabajo de intercambio u obtención de la temperatura deseada, llega el turno de la distribución de dicha temperatura por las estancias acondicionadas a climatizar.

Este proceso se realiza del mismo modo que los habituales sistemas de reparto de calor. La temperatura del terreno cuenta con un intervalo adecuado, así pues, la calefacción por geotermia es compatible con instalaciones de radiadores y suelo radiante tanto nuevas como existentes.

Otra función de las instalaciones de geotermia es la obtención de calor para la generación de ACS. Actualmente, las casas fabricantes cuentan con modelos de bombas de calor geotérmicas con las potencias de trabajo adecuadas para las futuras necesidades de climatización y ACS de cada tipo de vivienda. Para estos casos, se puede contar con acumuladores de agua sin ningún inconveniente. 

   

Existen diferentes tipos de instalaciones de geotermia que difieren según la modalidad acogida por las tuberías de intercambio.

Captación geotérmica horizontal

La principal característica de este tipo de instalación es la distribución de forma horizontal de los colectores de captación que reparten el fluido caloportador. Estos figuran extendidos a lo largo y ancho de la parcela. Es el formato más habitual empleado en la modalidad geotérmica. Su ubicación se encuentra en torno al metro y medio de profundidad, y es el único caso en el que el clima exterior puede resultar condicionante. Para que esta modalidad sea eficiente, será necesario contar en extensión con los metros cuadrados suficientes.

Por lo general es más común su aplicación en parcelas correspondientes a viviendas independientes u otro tipo de construcciones aisladas cuya superficie sea la suficiente para captar la energía térmica necesaria para su uso. En parcelas pequeñas de grandes edificios no resultaría del todo eficiente.

Captación geotérmica vertical con sondas o pozos

Para superar la problemática del supuesto anterior, la falta de superficie, existe la opción de colocar el sistema de intercambio (tuberías) de forma vertical. Esta alternativa recupera la falta de espacio con una perforación superior. Este trabajo supone el empleo de maquinaria preparada más compleja, pero el resultado es más eficiente al alcanzar yacimientos de temperaturas superiores, siendo el rango de profundidad entre los 25 y los 150 metros.
Se pueden realizar una o más perforaciones en función de la necesidad.

Los diámetros de perforación para las sondas son relativamente pequeños, de unos 10-15 cm.

Captación geotérmica vertical con pilotes

Cuando la instalación geotérmica está planificada desde el inicio del proyecto de una edificación y para dicha construcción es necesario la cimentación con pilotes, estos se aprovechan para conducir los elementos de intercambio. A la propia estructura de los pilotes se incorporan las sondas geotérmicas que harán las veces de guía para las mismas.

Con el aprovechamiento de ciertas operaciones necesarias para la obra, se ahorran diferentes pasos y, sobre todo, costes en la instalación del sistema de geotermia. De esta técnica resulta lo que se conoce como cimentación termoactiva , un concepto muy empleado en los estudios de rehabilitación energética en la actualidad.

Algunos datos comparativos entre los dos sistemas son los siguientes:

Tabla III. Comparación entre captadores geotérmicos (vertical y horizontal)

Captación geotérmica en agua (lagos o ríos)

La captación geotérmica en agua consiste en introducir directamente el sistema de intercambio (las tuberías del fluido caloportador) en lagos o ríos de elevadas temperaturas o en yacimientos de aguas termales. El intercambio de calor se realiza directamente en el medio acuoso.

Es un sistema muy sencillo y sin excesivas complicaciones técnicas, más económico y eficiente. Eso sí, cuenta con el inconveniente de que este recurso acuoso no está disponible en todas las localizaciones.

Dependiendo de la profundidad de la instalación de colectores de fluido y de las necesidades térmicas deseadas, la potencia o el modelo de la bomba geotérmica debe ser el adecuado para cada caso.

Refrigeración con geotermia

En el interior de la tierra, alrededor de los 15-20 metros de profundidad, la temperatura se mantiene constante durante todo el año entre los valores de 18 y 24 ºC, un rango que se considera óptimo tanto en verano como en los meses más invernales. Es lo que se denomina inercia térmica del terreno.

En el empleo de la técnica de la bomba de calor, al igual que en los equipos de climatización por aire, el trabajo de este sistema consiste en el tratamiento de la temperatura existente, y mediante los diferentes procesos de compresión y evaporación, obtener la temperatura deseada.

Es por ello, que los sistemas geotérmicos, con el modelo de bomba adecuado, pueden ser empleados de la misma forma, para la refrigeración de los espacios en los meses más cálidos. En este caso, el trabajo de estas bombas revertirá el proceso anterior cediendo esta vez el calor al circuito, y reduciendo así la temperatura de la vivienda. 

Ventajas e inconvenientes

La ventajas con las que cuenta la energía geotérmica son:

• Energía limpia y sin emisiones in situ.
• Disponibilidad del recurso geotérmico en todo el mundo.
• Energía segura al no existir caldera ni combustión.
• Recurso disponible todo el año.
• La instalación no precisa de elevadas operaciones de mantenimiento.
• El recurso empleado es de origen local y no tiene dependencia de terceros.ç
• Es compatible su combinación con otras alternativas renovables en climatización y ACS.
• El rendimiento de la instalación no depende del clima exterior.
• Cuenta con un elevado nivel de eficiencia durante todo el año, frente a otras alternativas renovables térmicas como la solar.
• Es aplicable tanto para tipos de construcciones o viviendas individuales como colectivas.
• Según el tipo de instalación, los periodos de amortización económica están entre 5 y 7 años.
• En la actualidad se cuentan con equipos muy eficientes y la investigación en técnicas de mejora sigue en activo.

La energía geotérmica cuenta también con una lista de inconvenientes, necesarios a tener en cuenta en el caso de optar por un sistema de climatización de este tipo.

• Es preciso la realización de un estudio de viabilidad tanto técnica como económica previamente a la instalación del proyecto.
• Necesario un estudio geotécnico para instalaciones de grandes dimensiones.
• Se precisa una inversión inicial elevada, sobre todo en el caso de sistemas geotérmicos verticales con sonda, debido a la maquinaria especial a emplear.
• En el casos de viviendas de nueva construcción, es preferible plantear la instalación de energía geotérmica previamente a la construcción de la casa, en el caso contrario, pueden verse reducidas la opciones de instalación y la obra civil puede resultar más complicada y costosa.  

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¿Cuánto consume una bomba de calor geotérmica?

Respecto al consumo de una bomba de calor geotérmica, este depende de la eficiencia del equipo, una información que nos proporciona el valor COP estipulado por el fabricante del equipo. Este valor de COP (o SCOP para su cálculo con parámetros propios estacionales) presenta la relación entre el valor de potencia eléctrica consumida  y la potencia calorífica generada.  El equivalente para los datos de frío serían los parámetros EER y SEER.

Un positivo dato es que en la actualidad se cuentan con bombas geotérmicas que devuelven eficiencias  de hasta 6 Kw de energía térmica por cada Kw de electricidad consumida. 

¿Qué es más eficiente, la geotermia o la aerotermia?

El mejor competidor de la geotermia es la aerotermia, un sistema también mediante la técnica de la bomba de calor y que desde su aparición siempre ha ofrecido resultados muy eficientes.

Los valores comerciales de los equipos de aerotermia ofrecen actualmente resultados de hasta 4 veces más  de energía térmica por cada kw de energía eléctrica empleado en su funcionamiento.

Realizar una comparativa numérica sobre cuánto consume cada una de estas tecnologías, requiere de su aplicación a un caso concreto: en una ubicación y con equipos de unas determinadas características.

Un supuesto que podría ayudar de forma general sería el siguiente:

En una vivienda unifamiliar de 140 m², situada en una localidad al sur de la Comunidad de Madrid (España), con orientación sureste y un buen aislamiento térmico tanto en fachadas como en ventanas, se pretende sustituir el sistema de calefacción y ACS con el que cuenta, una caldera de gas natural de 24 kw de potencia calorífica, por un sistema de producción renovable.

Los sistemas que se valoran son la instalación de un sistema de geotermia o una bomba de calor aerotérmica.

Para ello, se cuenta con los siguientes datos proporcionados por fabricantes:

Bomba de calor geotérmica:

P calorífica= 22 kw

COP: 4,9

Consumo energético máximo: 6 Kw

Bomba de calor aerotérmica:

P calorífica= 20,5 kw

COP: 5

Consumo energético máximo: 5,3 Kw

Este consumo eléctrico de los equipos se indica definido en las especificaciones que el fabricante ofrece según ensayos en condiciones de laboratorio. Desde 2014, el IDAE puso a disposición los valores de ponderación (Prestaciones medias estacionales de las bombas de calor para producción de calor en edificios (energia.gob.es)) a aplicar a estos consumos eléctricos que ofrecen una estimación mucho más acertada del consumo según la tecnología utilizada (geotermia vertical u horizontal o aerotermia); este parámetro adquiere la denominación SPF, y es el resultado de la siguiente fórmula:

SPF = COP * FP *FC

Siendo:

FP: Factor de ponderación para sistemas de calefacción por bomba de calor (estipulado por tabla)

FC: Facto de corrección para bombas de calor (estipulado por tabla).

Aplicando al estudio presentado en este texto, se tendrían los siguientes valores de SPF para cada tecnología:

SPF geotermia: 4,9 * 1,012 * 0,765 = 3,79

SPF aerotermia: 5 * 0,58 * 0,765 = 2,22

El valor del SPF obtenido se aplica de la siguiente forma:

- Consumo anual del sistema de geotermia (según horas estimadas de consumo anuales):

6480 Kwh/año / 3,79 = 1709,8  Kwh/año

- Consumo anual del sistema de aerotermia (según horas estimadas de consumo anuales):

5724   Kwh/año / 2,22 = 2601,8 Kwh/año

Estos datos de ponderación ofrecen una estimación del ahorro que tendría una tecnología frente a otra, en las mismas condiciones energéticas de consumo; en principio pueden sorprender estos resultados, pero ello es debido a que estos datos de ponderación están basados en la estabilidad térmica anual que ofrece la geotermia (fuente energética estable en todo el año) mientras que la aerotermia, al alimentarse de la temperatura exterior, está condicionada por la variación térmica estacional.

La elección para usuarios de un sistema u otro, debe estar valorada en un primer lugar, por la localización geográfica del edificio de interés, ya que la respuesta de trabajo de cada uno de ellos puede no corresponder con las necesidades de temperatura en climas muy extremos o con elevados niveles de humedad.

Otros parámetros a tener en cuenta para optar por una de ellas, son el coste del equipo, la obra a realizar y el futuro uso del espacio.

Con estos argumentos, se puede afirmar que, a la hora de instalar un sistema de climatización mediante geotermia, se debe contar con una cuidada planificación; mientras que un equipo de aerotermia cuenta con mayores capacidades de adaptación a los diseños de edificios incluso siendo estos proyectos existentes.

Es importante incidir que para conocer los datos más adecuados a cada caso, se debe de contar siempre con el trabajo y asesoramiento de los profesionales en instalaciones energéticas.

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