Bombas de calor polivalentes para aplicaciones geotérmicas, un paso más hacia la eficiencia energética

La utilización de bombas de calor para geotermia se ha afianzado en toda Europa en el sector residencial como alternativa a las calderas tradicionales gracias a los altos niveles de eficiencia derivados de la temperatura constante del suelo. El uso de productos geotérmicos tiene como objetivo principal reducir las emisiones de CO2 a un mínimo de acuerdo con el tratado de Kyoto, siendo las bombas de calor agua-agua son los generadores térmicos capaces de emitir la menor cantidad de CO2 en sus diversas condiciones de funcionamiento. Mucho menor que las calderas de condensación o una bomba de calor aire-agua.

El índice que representa el efecto invernadero debido al consumo de combustibles fósiles o energía eléctrica durante el ciclo de vida de un generador de calor (caldera o bomba de calor) es conocido como IGW (Calentamiento Global Indirecto). La figura siguiente muestra la cantidad de dióxido de carbono emitido a la atmósfera por kWh para distintos sistemas, mostrando claramente cómo las bombas de calor eléctricas tienen un menor impacto ambiental al de las calderas de gas a partir de valores de COP de 2,5.

En un sistema polivalente geotérmico el rendimiento en modo recuperación puede llegar a un valor de 5,8. 

Ventajas energéticas de los sistemas geotérmicos

El aire es la fuente térmica más difundida y utilizada para bombas de calor. La ventaja del aire es que siempre está disponible a un coste cero y es fácilmente explotable, pero presenta tres inconvenientes fundamentales:

- Escasa capacidad de transferencia de calor
- Los ventiladores generan problemas de ruido
- Su temperatura y humedad afectan al funcionamiento de la máquina

Cuando las temperaturas exteriores son bajas el rendimiento se ve seriamente mermado, produciéndose además hielo en la batería, y haciendo necesario eliminarlo mediante la inversión del ciclo frigorífico, comúnmente conocida como desescarche.

La formación de escarcha y los ciclos de descongelación consiguientes reducen la eficiencia de la bomba de calor, en un orden aproximado al 10 % por cada ciclo de descongelación.

Como alternativa, existen fuentes termales alternativas al aire que pueden ser explotadas de una manera mucho más simple de lo que se piensa comúnmente, como por ejemplo:

• Aguas superficiales (mar, lagos, arroyos y ríos)
• Aguas subterráneas
• El suelo

El método más empleado es utilizar el suelo como fuente térmica, ya que a una cierta profundidad la temperatura del suelo se estabiliza en un valor cercano a la temperatura media anual del aire, siendo extremadamente interesante para el uso de bombas de calor.

Por tanto el suelo como fuente térmica alternativa al aire ofrece la ventaja de una eficiencia energética más elevada, sin necesidad de ningún ciclo de descongelación.

El COP que se puede llegar en generar en un sistema convencional de geotermia para producción de agua a 45° C es superior a 3,2. En cambio, con un sistema polivalente este valor puede incluso llegar a los 5,8.

Funcionamiento estacional de las bombas de calor

Cuando la bomba de calor es el único generador disponible, como suele ser en el caso de los sistemas con intercambiadores geotérmicos, debe suplir las funciones requeridas por una caldera y un grupo de refrigeración. Durante las diversas estaciones tendrá que cubrir las siguientes demandas:

- Meses intermedios: producir agua caliente sanitaria
- Meses de invierno: producen energía térmica para el sistema de calefacción y energía térmica para el agua caliente sanitaria
- Meses de verano: producen energía de refrigeración para el sistema de aire acondicionado y energía térmica para el sistema de agua caliente sanitaria

Estos requisitos no pueden ser satisfechos por una bomba de calor tradicional, especialmente en el caso de sistemas geotérmicos si es desean altos valores de eficiencia.

Descripción de un sistema geotérmico polivalente

El sistema polivalente halla su aplicación natural como alternativa válida para todas aquellas instalaciones tradicionales que han previsto la utilización de una enfriadora o de una bomba de calor, con integración de una caldera de apoyo.

Su uso está previsto para aplicaciones de climatización o de procesos industriales en los que resulta necesario disponer en cualquier estación del año de agua fría o caliente, ya sea de forma simultánea o independiente, tanto en instalaciones de 2 como de 4 tubos.

Las ventajas derivan de la utilización de una sola unidad, del ahorro económico gracias a los elevados COP (5,8), y de la no utilización de productos combustibles dañinos para el ozono, lo que permite su definición como máquina polivalente ecológica. Además, dada su versatilidad, se puede usar en instalaciones ya existentes, sin necesidad de modificaciones.

En definitiva, este tipo de solución polivalente se presenta en el mercado como la unidad que garantiza aspectos fundamentales como EFICIENCIA, FIABILIDAD Y VERSATILIDAD.

Funcionamiento estacional de las bombas de calor polivalentes: Sistemas EXP

En realidad una máquina polivalente se trataría en definitiva de dos máquinas en una. Una bomba de calor reversible dedicada a cubrir la demanda derivada del sistema de calefacción y refrigeración, así como dedicada a la producción de ACS.

De los tres intercambiadores de los que está dotado el equipo, dos son operacionales, mientras que uno está bypaseado, variando esta situación en función del modo de funcionamiento requerido. El intercambiador de recuperación (secundario) para producción de ACS trabaja siempre como condensador, mientras que los otros dos pueden trabajar como condensador y/o como evaporador.

Dependiendo de los intercambiadores en uso, el sistema polivalente ecológico EXP puede funcionar de cuatro formas diferentes:

Producción sólo frío atendiendo la demanda del circuito

Este es el funcionamiento más sencillo. En los meses de verano, cuando la demanda de ACS está cubierta, el sistema polivalente tiene únicamente que producir frío para cubrir las necesidades del circuito principal.

Para hacerlo, el intercambiador secundario trabaja como condensador, el intercambiador principal trabaja como evaporador y el intercambiador para ACS está desactivado. 

En este modo de funcionamiento y al tratarse de un sistema geotérmico, podremos trabajar con un rendimiento EER alto, porque somos capaces de trabajar con temperaturas de condensación bajas e independientes de la temperatura exterior.

Frío atendiendo la demanda del circuito principal y calor para cubrir demanda de ACS

Estamos ante una situación habitual en el sector residencial. La demanda de frío al sistema no ha sido cubierta y además tenemos necesidad de ACS. El equipo polivalente extrae el calor del circuito principal (enfría) y lo transfiere al circuito de ACS (calienta). Para ello, el intercambiador de ACS trabaja como condensador, el intercambiador del circuito principal trabaja como evaporador y el intercambiador de suelo está desactivado. La eficiencia energética es máxima porque trabaja en recuperación total. (evap. 12/7ºC cond. 40/45ºC; COP= 5,72.)

Cuál sería el comportamiento de una bomba de calor tradicional en esta situación.

Ante una demanda de ACS y de frío para el sistema habría que establecer una prioridad que generalmente suele ser la producción de ACS. La bomba de calor, dejaría de producir frío, cambiaría el ciclo a calor y cubriría la demanda de ACS. Una vez cumplimentada debería otra vez cambiar el ciclo y empezar a producir frío al sistema.

Si trabajásemos con una bomba de calor con recuperación, la situación mejoraría puesto que no deberíamos realizar el cambio de ciclo. Sin embargo, hay que tener en cuenta dos puntos importantes. El primero de ellos, es que implica mayor complejidad en la instalación y requerimientos superiores de los elementos de control, mientras que la máquina polivalente se auto gestiona sin necesidad de elementos de control externos. El segundo, es que en la bomba de calor con recuperación, la producción de calor únicamente se podrá realizar cuando la máquina está produciendo frío. En una máquina polivalente, la producción de ACS y frío al sistema es independiente y no tiene por qué ser conjunta.

Calor para producción de ACS

En aquellos casos en que la demanda del circuito principal esta cubierta y sólo es necesario producir ACS, el grupo polivalente extrae el calor de las sondas del suelo (enfría) y lo transfiere al circuito de ACS (calienta). Para ello, el intercambiador de ACS trabaja como condensador, el intercambiador secundario trabaja como evaporador y el intercambiador principal está desactivado. La producción se mantiene en función del punto de consigna de ACS.

Calor atendiendo la demanda del circuito principal

Cuando sólo hay que producir agua caliente para el sistema, el grupo polivalente evapora contra el suelo y transfiere el calor al circuito principal. Para ello, el intercambiador del circuito principal trabaja como condensador, el intercambiador de suelo trabaja como evaporador y el intercambiador de ACS está desactivado. En el caso de existir una demanda conjunta de calor al sistema y al producción de ACS, la máquina trabajará alternativamente con los intercambiadores de ACS (secundario) y principal del sistema. Se establecerá, en este caso un orden de prioridad de la producción.

Conclusiones

Para sistemas geotérmicos de uso residencial, las bombas de calor polivalentes garantizan unos rendimientos energéticos óptimos y permiten unos procedimientos de instalación muy sencillos. Esto permite una reducción notable, tanto en los gastos de instalación como en la posterior explotación de la misma.