Una bomba de calor geotérmica (GHP) o bomba de calor de fuente terrestre (GSHP) es un tipo de bomba de calor que se utiliza para calentar y / o enfriar un edificio mediante el intercambio de calor con el suelo, a menudo mediante un ciclo de refrigeración por compresión de vapor .
Utiliza la tierra todo el tiempo, sin intermitencias , como fuente de calor (en invierno) o como disipador de calor (en verano). Este diseño aprovecha las temperaturas moderadas del suelo para aumentar la eficiencia y reducir los costos operativos de los sistemas de calefacción y refrigeración, y puede combinarse con la calefacción solar para formar un sistema geosolar con una eficiencia aún mayor. También se les conoce por otros nombres, incluidos geointercambio, sistemas de energía terrestre acoplados a la tierra . Las comunidades de ingenieros y científicos prefieren los términos " geointercambio " o " bombas de calor de fuente terrestre " para evitar confusiones con la energía geotérmica tradicional , que utiliza una fuente de calor de alta temperatura para generar electricidad. [1] Las bombas de calor de fuente terrestre recolectan el calor absorbido en la superficie de la Tierra a partir de la energía solar. La temperatura en el suelo por debajo de los 6 metros (20 pies) es aproximadamente igual a la temperatura media anual del aire local (MAAT). [2] [3] [4]
Dependiendo de la latitud, la temperatura debajo de los 6 metros superiores (20 pies) de la superficie de la Tierra mantiene una temperatura casi constante que refleja la temperatura media anual del aire [5] (en muchas áreas, entre 10 y 16 ° C / 50 y 60 ° F ), [6] si la temperatura no se ve alterada por la presencia de una bomba de calor. Como un refrigerador o aire acondicionado, estos sistemas usan una bomba de calor para forzar la transferencia de calor desde el suelo. Las bombas de calor pueden transferir calor de un espacio frío a un espacio cálido, en contra de la dirección natural del flujo, o pueden mejorar el flujo natural de calor de un área cálida a una fría. El núcleo de la bomba de calor es un circuito de refrigerante que se bombea a través de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que mueve el calor. Las bombas de calor de fuente de aire suelen ser más eficientes para calentar que los calentadores eléctricos puros, incluso cuando extraen calor del aire frío del invierno, aunque las eficiencias comienzan a disminuir significativamente a medida que la temperatura del aire exterior desciende por debajo de los 5 ° C (41 ° F). [ cita requerida ] Una bomba de calor de fuente terrestre intercambia calor con el suelo. Esto es mucho más eficiente desde el punto de vista energético porque las temperaturas subterráneas son más estables que las temperaturas del aire durante todo el año. Las variaciones estacionales disminuyen con la profundidad y desaparecen por debajo de los 7 metros (23 pies) [7] a 12 metros (39 pies) [8] debido a la inercia térmica . Como una cueva , la temperatura del suelo poco profundo es más cálida que el aire de arriba durante el invierno y más fría que el aire en el verano. Una bomba de calor de fuente terrestre extrae el calor del suelo en el invierno (para calefacción) y transfiere el calor al suelo en el verano (para enfriar). Algunos sistemas están diseñados para funcionar en un solo modo, calefacción o refrigeración, según el clima.
Los sistemas de bombas geotérmicas alcanzan un coeficiente de rendimiento (CoP) bastante alto , de 3 a 6, en las noches más frías de invierno, en comparación con 1,75-2,5 para las bombas de calor de fuente de aire en los días fríos. [9] Las bombas de calor de fuente terrestre (GSHP) se encuentran entre las tecnologías de mayor eficiencia energética para proporcionar HVAC y calentamiento de agua . [10] [11]
Los costos de instalación son más altos que los de los sistemas convencionales, pero la diferencia generalmente se devuelve en ahorros de energía en 3 a 10 años. Los fabricantes garantizan razonablemente los sistemas de bombas de calor geotérmicas y su vida útil se estima en 25 años para los componentes internos y más de 50 años para el circuito de tierra. [12] En 2004, hay más de un millón de unidades instaladas en todo el mundo que proporcionan 12 GW de capacidad térmica, con una tasa de crecimiento anual del 10%. [13]
Términos y definiciones diferentes
Existe cierta confusión con respecto a la terminología de las bombas de calor y el uso del término " geotermia ". " Geotermia " deriva del griego y significa " calor de la Tierra ", que los geólogos y muchos laicos entienden como una descripción de rocas calientes, actividad volcánica o calor derivado de las profundidades de la tierra. Aunque surge cierta confusión cuando el término " geotermia " también se usa para aplicar a temperaturas dentro de los primeros 100 metros de la superficie, este es " calor de la Tierra " de todos modos, aunque está muy influenciado por la energía almacenada del sol.
Historia
La bomba de calor fue descrita por Lord Kelvin en 1853 y desarrollada por Peter Ritter von Rittinger en 1855. Después de experimentar con un congelador, Robert C. Webber construyó la primera bomba de calor de fuente terrestre de intercambio directo a fines de la década de 1940. [14] El primer proyecto comercial de éxito se instaló en el edificio de la Commonwealth (Portland, Oregón) en 1948, y ha sido designado como un Lugar de interés histórico Nacional de Ingeniería Mecánica de ASME . [15] La tecnología se hizo popular en Suecia en la década de 1970, y desde entonces ha ido creciendo lentamente en aceptación mundial. Los sistemas de circuito abierto dominaron el mercado hasta que el desarrollo de la tubería de polibutileno en 1979 hizo que los sistemas de circuito cerrado fueran económicamente viables. [15] En 2004, hay más de un millón de unidades instaladas en todo el mundo que proporcionan 12 GW de capacidad térmica. [13] Cada año, se instalan alrededor de 80.000 unidades en los Estados Unidos [16] y 27.000 en Suecia. [13] En Finlandia, una bomba de calor geotérmica fue la opción de sistema de calefacción más común para las nuevas viviendas unifamiliares entre 2006 y 2011, con una cuota de mercado superior al 40%. [17]
Intercambiador de calor de tierra
Las bombas de calor proporcionan calefacción en invierno extrayendo calor de una fuente y transfiriéndolo a un edificio. El calor se puede extraer de cualquier fuente, no importa qué tan fría sea, pero una fuente más cálida permite una mayor eficiencia. Una bomba de calor de fuente terrestre utiliza la capa superior de la corteza terrestre como fuente de calor, aprovechando así su temperatura moderada estacionalmente.
En verano, el proceso se puede invertir para que la bomba de calor extraiga el calor del edificio y lo transfiera al suelo. Transferir calor a un espacio más fresco requiere menos energía, por lo que la eficiencia de enfriamiento de la bomba de calor se beneficia de la temperatura del suelo más baja.
Las bombas de calor de fuente terrestre emplean un intercambiador de calor terrestre (GHE) en contacto con el suelo o el agua subterránea para extraer o disipar el calor. Este componente representa entre un quinto y la mitad del costo total del sistema y sería la parte más engorrosa de reparar o reemplazar. Es necesario dimensionar correctamente este componente para asegurar el rendimiento a largo plazo: la eficiencia energética del sistema mejora aproximadamente un 4% por cada grado Celsius que se obtiene mediante el dimensionamiento correcto, y el equilibrio de temperatura subterránea debe mantenerse mediante el diseño adecuado del conjunto. sistema. 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 [18]
Los intercambiadores de calor horizontales de poca profundidad de 3 a 8 pies (0,91 a 2,44 m) 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 se retrasan con respecto a 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 se ve abrumado a fines del invierno y la primavera, debido al frío invernal acumulado. Los sistemas verticales profundos de 100 a 500 pies (30 a 152 m) de profundidad dependen de la migración de calor de la geología circundante, a menos que se recarguen anualmente mediante la recarga solar del suelo o el calor extraído de los sistemas de aire acondicionado.
Hay varias opciones de diseño importantes disponibles para estos, que se clasifican por fluido y diseño. Los sistemas de intercambio directo hacen circular refrigerante bajo tierra, los sistemas de circuito cerrado utilizan una mezcla de anticongelante y agua, y los sistemas de circuito abierto utilizan agua subterránea natural.
Intercambio directo (DX)
La bomba de calor geotérmica de intercambio directo (DX) es el tipo más antiguo de tecnología de bomba de calor geotérmica. El acoplamiento a tierra se logra a través de un circuito único, refrigerante en circulación, en contacto térmico directo con el suelo (a diferencia de una combinación de circuito de refrigerante y circuito de agua). El refrigerante sale del gabinete de la bomba de calor, circula a través de un bucle de tubo de cobre enterrado bajo tierra e intercambia calor con el suelo antes de regresar a la bomba. El nombre "intercambio directo" se refiere a la transferencia de calor entre el circuito de refrigerante y el suelo sin el uso de un fluido intermedio. No hay interacción directa entre el fluido y la tierra; solo transferencia de calor a través de la pared de la tubería. Las bombas de calor de intercambio directo no deben confundirse con "bombas de calor de fuente de agua" o "bombas de calor de circuito de agua", ya que no hay agua en el circuito de tierra. ASHRAE define el término bomba de calor acoplada a tierra para abarcar los sistemas de intercambio directo y de circuito cerrado, mientras que excluye los circuitos abiertos.
Los sistemas de intercambio directo son más eficientes y tienen costos de instalación potencialmente más bajos que los sistemas de agua de circuito cerrado. La alta conductividad térmica del cobre contribuye a una mayor eficiencia del sistema, pero el flujo de calor está limitado predominantemente por la conductividad térmica del suelo, no por la tubería. Las principales razones de la mayor eficiencia son la eliminación de la bomba de agua (que usa electricidad), la eliminación del intercambiador de calor de agua a refrigerante (que es una fuente de pérdidas de calor) y, lo más importante, el cambio de fase de calor latente. del refrigerante en el suelo.
Sin embargo, en caso de fugas, prácticamente no hay riesgo de contaminar el suelo o las aguas subterráneas. A diferencia de los sistemas geotérmicos de fuente de agua, los sistemas de intercambio directo no contienen anticongelante. Entonces, en caso de una fuga de refrigerante, el refrigerante que se usa actualmente en la mayoría de los sistemas, el R-410A, se vaporizaría inmediatamente y buscaría la atmósfera. Esto se debe al bajo punto de ebullición del R-410A: −51 ° C (−60 ° F). El refrigerante R-410A reemplaza grandes volúmenes de mezclas anticongelantes utilizadas en sistemas geotérmicos de fuentes de agua y no representa una amenaza para los acuíferos ni para el suelo mismo.
Si bien requieren más refrigerante y su tubería es más cara por pie, un circuito de tierra de intercambio directo es más corto que un circuito de agua cerrado para una capacidad determinada. Un sistema de intercambio directo requiere solo del 15 al 40% de la longitud de la tubería y la mitad del diámetro de los orificios perforados, por lo que los costos de perforación o excavación son más bajos. Los circuitos de refrigerante son menos tolerantes a las fugas que los circuitos de agua porque el gas puede escaparse a través de imperfecciones más pequeñas. Esto dicta el uso de tubos de cobre soldados, aunque las presiones son similares a las de los circuitos de agua. El bucle de cobre debe protegerse de la corrosión en suelos ácidos mediante el uso de un ánodo de sacrificio u otra protección catódica .
La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Realizó un monitoreo de campo de un sistema de calentamiento de agua con bomba de calor de geointercambio directo en una aplicación comercial. La EPA informó que el sistema ahorró el 75% de la energía eléctrica que habría requerido una unidad de calentamiento de agua por resistencia eléctrica. Según la EPA, si el sistema se opera a su capacidad máxima, puede evitar la emisión de hasta 7,100 libras de CO 2 y 15 libras de NO x cada año por tonelada de capacidad del compresor (o 42,600 libras de CO 2 y 90 libras . de NO x para un sistema típico de refrigeración de 6 toneladas (~ 21,5 kW )). [19]
En los climas del norte, aunque la temperatura de la tierra es más fría, también lo es la temperatura del agua entrante, lo que permite que los sistemas de alta eficiencia reemplacen más energía que de otro modo se requeriría de los sistemas eléctricos o de combustibles fósiles. Cualquier temperatura superior a -40 ° C (-40 ° F) es suficiente para evaporar el refrigerante y el sistema de intercambio directo puede recolectar energía a través del hielo.
En climas extremadamente cálidos con suelo seco, la adición de un módulo de enfriamiento auxiliar como segundo condensador en línea entre el compresor y los circuitos de tierra aumenta la eficiencia y puede reducir aún más la cantidad de circuito de tierra a instalar. [ cita requerida ]
Bucle cerrado
La mayoría de los sistemas instalados tienen dos bucles en el lado de tierra: el bucle de refrigerante primario está contenido en el gabinete del aparato donde intercambia calor con un bucle de agua secundario que está enterrado bajo tierra. El circuito secundario generalmente está hecho de tubería de polietileno de alta densidad y contiene una mezcla de agua y anticongelante ( propilenglicol , alcohol desnaturalizado o metanol ). El monopropilenglicol tiene el potencial menos dañino cuando puede filtrarse al suelo y, por lo tanto, es el único anticongelante permitido en fuentes terrestres en un número cada vez mayor de países europeos. Después de salir del intercambiador de calor interno, el agua fluye a través del circuito secundario fuera del edificio para intercambiar calor con el suelo antes de regresar. El circuito secundario se coloca debajo de la línea de congelación donde la temperatura es más estable o preferiblemente sumergido en un cuerpo de agua si está disponible. 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 bucle de tierra para mantenerlo húmedo.
Los sistemas de circuito cerrado necesitan un intercambiador de calor entre el circuito de refrigerante y el circuito de agua, y bombas en ambos circuitos. Algunos fabricantes tienen un paquete de bomba de fluido de circuito de tierra separado, mientras que algunos integran el bombeo y las válvulas dentro de la bomba de calor. Los tanques de expansión y las válvulas de alivio de presión se pueden instalar en el lado del fluido calentado. Los sistemas de circuito cerrado tienen menor eficiencia que los sistemas de intercambio directo, por lo que requieren que se coloque una tubería más y más grande en el suelo, lo que aumenta los costos de excavación.
La tubería de circuito cerrado se puede instalar horizontalmente como un campo de circuito en zanjas o verticalmente como una serie de formas de U largas en pozos (ver más abajo). El tamaño del campo de bucle depende del tipo de suelo y el contenido de humedad, la temperatura promedio del suelo y las características de pérdida o ganancia de calor del edificio que se está acondicionando. Una aproximación aproximada de la temperatura inicial del suelo es la temperatura diaria promedio de la región.
Vertical
Un campo vertical de circuito cerrado está compuesto por tuberías que corren verticalmente en el suelo. Se perfora un agujero en el suelo, típicamente de 50 a 400 pies (15-122 m) de profundidad, o un pilote de cimentación de un edificio en el que un fluido circulante que transporta calor absorbe (o descarga) calor desde (o hacia) el suelo. [20] [21] Los pares de tuberías en el orificio se unen con un conector cruzado en forma de U en la parte inferior del orificio o comprenden dos tubos de polietileno de alta densidad (HDPE) de diámetro pequeño fusionados térmicamente para formar una curva en forma de U en El fondo. [22] El espacio entre la pared del pozo y los tubos en forma de U generalmente se rellena completamente con material de lechada o, en algunos casos, se llena parcialmente con agua subterránea. [23] El pozo se llena comúnmente con una lechada de bentonita que rodea la tubería para proporcionar una conexión térmica al suelo o roca circundante para mejorar la transferencia de calor . Hay disponibles lechadas térmicamente mejoradas para mejorar esta transferencia de calor. La lechada también protege el agua subterránea de la contaminación y evita que los pozos artesianos inunden la propiedad. Los campos de bucle vertical se utilizan normalmente cuando hay un área limitada de tierra disponible. Los pozos están espaciados por lo menos entre 5 y 6 m de distancia y la profundidad depende de las características del terreno y del edificio. Por ejemplo, una casa unifamiliar que necesita 10 kW (3 toneladas ) de capacidad de calefacción puede necesitar tres pozos de 80 a 110 m (260 a 360 pies) de profundidad. [24] Durante la temporada de enfriamiento, el aumento de la temperatura local en el campo de perforación está más influenciado por el viaje de la humedad en el suelo. Se han desarrollado modelos confiables de transferencia de calor a través de perforaciones de muestra y otras pruebas. En un pilote de cimentación GHE (o pilote de energía), los tubos de transferencia de calor están dentro del marco de acero de un pilote de cimentación. Hay varias formas posibles. Los pilotes de cimentación suelen ser mucho más superficiales que los pozos y tienen un radio mayor. Dado que las pilas de energía generalmente requieren menos área de tierra, esta tecnología está suscitando un interés creciente en la comunidad de bombas de calor de fuente terrestre.
Horizontal
Un campo de circuito cerrado horizontal se compone de tuberías que se colocan en un plano en el suelo. Se cava una zanja larga , más profunda que la línea de congelación , y se extienden espirales en forma de U o escurridizos dentro de la misma zanja. La excavación de zanjas poco profundas es aproximadamente la mitad del costo de la perforación vertical, por lo que este es el diseño más común que se usa donde hay suficiente terreno disponible. A modo de ilustración, una casa unifamiliar que necesita 10 kW (3 toneladas ) de capacidad de calefacción puede necesitar tres bucles de 120 a 180 m (390 a 590 pies) de largo de tubería de polietileno NPS 3/4 (DN 20) o NPS 1,25 (DN 32) en una profundidad de 1 a 2 m (3,3 a 6,6 pies). [25]
La profundidad a la que se colocan los bucles influye significativamente en el consumo de energía de la bomba de calor de dos maneras opuestas: los bucles poco profundos tienden a absorber indirectamente más calor del sol, lo que es útil, especialmente cuando el suelo aún está frío después de un largo invierno. Por otro lado, los circuitos poco profundos también se enfrían mucho más fácilmente por los cambios climáticos, especialmente durante los inviernos largos y fríos, cuando la demanda de calefacción alcanza su punto máximo. A menudo, el segundo efecto es mucho mayor que el primero, lo que genera mayores costos de operación para los bucles de tierra más superficiales. Este problema se puede reducir aumentando tanto la profundidad como la longitud de la tubería, lo que aumenta significativamente los costos de instalación. Sin embargo, dichos gastos pueden considerarse factibles ya que pueden resultar en menores costos operativos. Estudios recientes muestran que la utilización de un perfil de suelo no homogéneo con una capa de material de baja conductividad por encima de las tuberías subterráneas puede ayudar a mitigar los efectos adversos de la profundidad del entierro de la tubería poco profunda. La capa intermedia con una conductividad más baja que el perfil del suelo circundante demostró el potencial para aumentar las tasas de extracción de energía del suelo hasta un 17% para un clima frío y aproximadamente un 5-6% para un clima relativamente moderado. [26]
Un campo de bucle cerrado furtivo (también llamado en espiral) es un tipo de bucle cerrado horizontal donde las tuberías se superponen entre sí (no es un método recomendado). La forma más fácil de imaginar un campo furtivo es imaginarse sosteniendo un furtivo en la parte superior e inferior con las manos y luego moviendo las manos en direcciones opuestas. Se utiliza un campo de bucle furtivo si no hay espacio adecuado para un verdadero sistema horizontal, pero aún así permite una instalación fácil. En lugar de usar tubería recta, las bobinas deslizantes usan bucles de tubería superpuestos dispuestos horizontalmente a lo largo del fondo de una zanja ancha. Aunque los serpentines deslizantes pueden proporcionar una gran área de contacto con el suelo a un costo relativamente bajo, pueden tener una alta energía de bombeo y el volumen límite de suelo cerca del serpentín se puede agotar de energía térmica con relativa rapidez. [27]
Perforación radial o direccional
Como alternativa a la excavación de zanjas, los bucles se pueden colocar mediante una mini perforación direccional horizontal (mini-HDD). Esta técnica permite colocar tuberías debajo de patios, caminos de entrada, jardines u otras estructuras sin perturbarlos, con un costo entre el de excavación de zanjas y perforación vertical. Este sistema también se diferencia de la perforación horizontal y vertical ya que los bucles se instalan desde una cámara central, lo que reduce aún más el espacio en el suelo necesario. La perforación radial a menudo se instala de manera retroactiva (después de que se ha construido la propiedad) debido a la pequeña naturaleza del equipo utilizado y la capacidad de perforar debajo de las construcciones existentes.
Estanque
Un circuito cerrado de estanque no es común porque depende de la proximidad a un cuerpo de agua, donde generalmente es preferible un sistema de circuito abierto. Un circuito de estanque puede ser ventajoso donde la mala calidad del agua impide un circuito abierto, o donde la carga de calor del sistema es pequeña. Un bucle de estanque consta de bobinas de tubería similares a un bucle furtivo unido a un marco y ubicado en el fondo de un estanque o fuente de agua de tamaño adecuado. Los estanques artificiales (que cuestan 30 € / m 3 ) 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 en el suelo) a través de una gran bomba de calor para suministrar calefacción urbana . [28] [29]
Análisis de la transferencia de calor por GEI
Un gran desafío para predecir la respuesta térmica de un GHE es la diversidad de escalas de tiempo y espacio involucradas. En la transferencia de calor de los GEI 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 distancia media 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 de GHE. La escala de tiempo involucrada es tan larga como la vida útil de un GHE (décadas). [30]
La respuesta de temperatura del suelo por hora a corto plazo es vital para analizar la energía de los sistemas de bombas de calor de origen terrestre 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 se pueden expresar como
donde T f es la temperatura promedio del fluido en circulación, T 0 es la temperatura efectiva no perturbada 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 una 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 varios modelos para R independiente y dependiente del tiempo. [20] [21] Además, a menudo se realiza una prueba de respuesta térmica para realizar un análisis determinista de la conductividad térmica del suelo para optimizar el tamaño del campo de bucle, especialmente para sitios comerciales más grandes (por ejemplo, más de 10 pozos).
Lazo abierto
En un sistema de circuito abierto (también llamado bomba de calor de agua subterránea), el circuito secundario bombea agua natural desde un pozo o cuerpo de agua a un intercambiador de calor dentro de la bomba de calor. ASHRAE llama a los sistemas de circuito abierto bombas de calor de agua subterránea o bombas de calor de agua superficial , según la fuente. El circuito de refrigerante primario extrae o agrega calor y el agua se devuelve a un pozo de inyección , una zanja de riego , un campo de baldosas o una masa de agua separados . Las líneas de suministro y retorno deben colocarse lo suficientemente separadas para asegurar la recarga térmica de la fuente. Dado que la química del agua no está controlada, es posible que sea necesario proteger el aparato de la corrosión mediante el uso de 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 de calefacción. [31] Además, a medida que las incrustaciones disminuyen el flujo de agua natural, la bomba de calor tiene dificultades para intercambiar el calor del edificio con el agua subterránea. Si el agua contiene altos niveles de sal, minerales, bacterias de hierro o sulfuro de hidrógeno, generalmente es preferible un sistema de circuito cerrado.
El enfriamiento de agua de lago profundo utiliza un proceso similar con un circuito abierto para aire acondicionado y enfriamiento. Los sistemas de circuito abierto que utilizan agua subterránea suelen ser más eficientes que los sistemas cerrados porque se combinan mejor con las temperaturas del suelo. Los sistemas de circuito cerrado, en comparación, tienen que transferir calor a través de capas adicionales de pared y suciedad de la tubería.
Un número creciente de jurisdicciones ha prohibido los sistemas de circuito abierto que drenan a la superficie porque pueden drenar los acuíferos o contaminar los pozos. Esto obliga al uso de pozos de inyección más ambientalmente racionales o un sistema de circuito cerrado.
Columna de pie bien
Un sistema de pozo de columna permanente es un tipo especializado de sistema de circuito abierto. El agua se extrae del fondo de un pozo de roca profundo, se pasa a través de una bomba de calor y se devuelve a la parte superior del pozo, donde, viajando hacia abajo, intercambia calor con el lecho de roca circundante. [32] La elección de un sistema de pozo de columna vertical a menudo se dicta cuando hay un lecho rocoso cerca de la superficie y se dispone de una superficie limitada. Por lo general, una columna vertical no es adecuada en lugares donde la geología es principalmente arcilla, limo o arena. Si el lecho rocoso está a más de 200 pies (61 m) de la superficie, el costo del revestimiento para sellar la sobrecarga puede volverse prohibitivo.
Un sistema de pozo de columnas múltiples puede soportar una estructura grande en una aplicación urbana o rural. El método de pozo de columna vertical también es popular en aplicaciones residenciales y comerciales pequeñas. Hay muchas aplicaciones exitosas de diferentes tamaños y cantidades en los muchos distritos de la ciudad de Nueva York, y también es la aplicación más común en los estados de Nueva Inglaterra. Este tipo de sistema de fuente terrestre tiene algunos beneficios de almacenamiento de calor, donde el calor se rechaza del edificio y la temperatura del pozo aumenta, dentro de lo razonable, durante los meses de enfriamiento de verano, que luego se puede recolectar para calefacción en los meses de invierno, aumentando así la eficiencia del sistema de bomba de calor. Al igual que con los sistemas de circuito cerrado, el tamaño del sistema de columnas verticales es crítico en referencia a la pérdida y ganancia de calor del edificio existente. Como el intercambio de calor es en realidad con el lecho rocoso, utilizando agua como medio de transferencia, no se requiere una gran cantidad de capacidad de producción (flujo de agua del pozo) para que funcione un sistema de columna vertical. Sin embargo, si hay una producción de agua adecuada, entonces la capacidad térmica del sistema de pozos se puede mejorar descargando un pequeño porcentaje del flujo del sistema durante los meses pico de verano e invierno.
Dado que se trata esencialmente de un sistema de bombeo de agua, el diseño de un pozo de columna vertical requiere consideraciones críticas para obtener la máxima eficiencia operativa. Si el diseño de un pozo de columna fija se aplica incorrectamente, dejando de lado las válvulas de cierre críticas, por ejemplo, el resultado podría ser una pérdida extrema de eficiencia y, por lo tanto, hacer que el costo operativo sea más alto de lo anticipado.
Distribución de edificios
La bomba de calor es la unidad central que se convierte en la planta de calefacción y refrigeración del edificio. Algunos modelos pueden cubrir calefacción de espacios, refrigeración de espacios (calefacción de espacios a través de aire acondicionado, sistemas hidrónicos y / o sistemas de calefacción radiante ), precalentamiento de agua doméstica o de piscina (a través de la función de atemperador ), demanda de agua caliente y derretimiento del hielo de la entrada, todo en uno. aparato con una variedad de opciones con respecto a controles, estadificación y control de zona. El calor puede llevarse hasta su uso final haciendo circular agua o aire forzado. Casi todos los tipos de bombas de calor se fabrican para aplicaciones comerciales y residenciales.
Las bombas de calor de líquido a aire (también llamadas agua a aire ) emiten aire forzado y se utilizan más comúnmente para reemplazar los sistemas de aire acondicionado central y los hornos de aire forzado heredados. Hay variaciones que permiten sistemas divididos, sistemas de alta velocidad y sistemas sin conductos. Las bombas de calor no pueden alcanzar una temperatura de fluido tan alta como un horno convencional, por lo que requieren un mayor caudal de aire para compensar. Al modernizar una residencia, es posible que sea necesario ampliar la red de conductos existente para reducir el ruido del flujo de aire más alto.
Las bombas de calor de líquido a agua (también llamadas agua a agua ) son sistemas hidrónicos que utilizan agua para llevar la calefacción o la refrigeración a través del edificio. Los sistemas tales como radiante calefacción por suelo radiante , radiadores de la placa base , radiadores de hierro fundido convencionales usarían una bomba de calor líquido-agua. Estas bombas de calor son las preferidas para calentar piscinas o precalentar agua caliente sanitaria. Las bombas de calor solo pueden calentar agua a aproximadamente 50 ° C (122 ° F) de manera eficiente, mientras que una caldera normalmente alcanza los 65–95 ° C (149–203 ° F). Es posible que sea necesario duplicar el número de radiadores tradicionales diseñados para estas temperaturas más altas cuando se reequipa una casa. Se seguirá necesitando un tanque de agua caliente para elevar la temperatura del agua por encima del máximo de la bomba de calor, pero el precalentamiento ahorrará entre un 25% y un 50% de los costos de agua caliente.
Las bombas de calor de fuente terrestre se adaptan especialmente bien a los sistemas de calefacción por suelo radiante y radiadores de zócalo que solo requieren temperaturas cálidas de 40 ° C (104 ° F) para funcionar bien. Por tanto, son ideales para oficinas diáfanas. El uso de grandes superficies como suelos, a diferencia de los radiadores, distribuye el calor de forma más uniforme y permite una temperatura del agua más baja. Los revestimientos para pisos de madera o alfombra amortiguan este efecto porque la eficiencia de transferencia térmica de estos materiales es menor que la de los pisos de mampostería (baldosas, concreto). Los radiadores de suelo, techo o pared también se pueden utilizar para enfriar en climas secos, aunque la temperatura del agua en circulación debe estar por encima del punto de rocío para garantizar que la humedad atmosférica no se condense en el radiador.
Hay disponibles bombas de calor combinadas que pueden producir aire forzado y agua en circulación de forma simultánea e individual. Estos sistemas se utilizan en gran medida para casas que tienen una combinación de necesidades de acondicionamiento de aire y líquido, por ejemplo, aire acondicionado central y calefacción de piscinas.
Almacenamiento térmico estacional
La eficiencia de las bombas de calor de fuente terrestre se puede mejorar en gran medida mediante el almacenamiento de energía térmica estacional y la transferencia de calor entre estaciones . [33] El calor capturado y almacenado en los bancos térmicos en verano se puede recuperar de manera eficiente en invierno. La eficiencia del almacenamiento de calor aumenta con la escala, por lo que esta ventaja es más significativa en los sistemas de calefacción comercial o de distrito .
Se han utilizado combisystems geosolares para calentar y enfriar un invernadero utilizando un acuífero para almacenamiento térmico. [29] [34] 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. [34] [35] 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 renovable y refrigeración renovable [36] a todo tipo de edificios.
Además, la eficiencia de las pequeñas instalaciones de bombas de calor existentes se puede mejorar agregando colectores solares grandes, baratos y llenos de agua. Estos pueden integrarse en un estacionamiento a reformar o en paredes o construcciones de techos instalando tuberías de PE de una pulgada en la capa exterior.
Eficiencia térmica
La eficiencia térmica neta de una bomba de calor debe tener en cuenta la eficiencia de la generación y transmisión de electricidad, normalmente alrededor del 30%. [13] 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 44% en comparación con las bombas de calor de fuente de aire y hasta un 72% en comparación con la calefacción por resistencia eléctrica con equipo de aire acondicionado estándar. [37]
La dependencia de la eficiencia térmica neta de la infraestructura eléctrica tiende a ser una complicación innecesaria para los consumidores y no es aplicable a la energía hidroeléctrica, por lo que el rendimiento de las bombas de calor generalmente se expresa como la relación entre la producción de calefacción o la eliminación de calor y la entrada de electricidad. El rendimiento de refrigeración se expresa típicamente en unidades de BTU / h / vatio como la relación de eficiencia energética (EER), mientras que el rendimiento de calefacción se reduce típicamente a unidades adimensionales como el coeficiente de rendimiento (COP). El factor de conversión es 3,41 BTU / h / vatio. El rendimiento está influenciado por todos los componentes del sistema instalado, incluidas las condiciones del suelo, el intercambiador de calor acoplado al suelo, el aparato de la bomba de calor y la distribución del edificio, pero está determinado en gran medida por la "elevación" entre la temperatura de entrada y la temperatura de salida. .
Con el fin de comparar los aparatos de 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 fueron diseñadas para bombas de calor de fuente terrestre de circuito cerrado y suponen temperaturas del agua del circuito secundario de 25 ° C (77 ° F) para aire acondicionado y 0 ° C (32 ° F) para calefacción. Estas temperaturas son típicas de las instalaciones del norte de EE. UU. Las clasificaciones estándar ARI 325 fueron diseñadas para bombas de calor de fuente terrestre de circuito abierto e incluyen dos conjuntos de clasificaciones para temperaturas de agua subterránea de 10 ° C (50 ° F) y 21 ° C (70 ° F). ARI 325 presupuesta más electricidad para el bombeo de agua que ARI 330. Ninguno de estos estándares intenta tener en cuenta las variaciones estacionales. Las clasificaciones estándar ARI 870 están diseñadas para bombas de calor de fuente terrestre de intercambio directo. ASHRAE hizo la transición a ISO 13256-1 en 2001, que reemplaza ARI 320, 325 y 330. La nueva norma ISO produce calificaciones ligeramente más altas porque ya no presupuesta electricidad para bombas de agua. [1]
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 de fuente terrestre residencial en el mercado hoy en día tienen COP estándar que van de 2.4 a 5.0 y EER que van de 10.6 a 30. [1] [38] Para calificar para una etiqueta Energy Star , las bombas de calor deben cumplir con ciertas calificaciones mínimas de COP y EER que dependen del tipo de intercambiador de calor de suelo. Para sistemas de circuito cerrado, el COP de calefacción ISO 13256-1 debe ser 3.3 o mayor y el EER de enfriamiento debe ser 14.1 o mayor. [39]
Las condiciones reales de instalación pueden producir una eficiencia mejor o peor que las condiciones de prueba estándar. El COP mejora con una diferencia de temperatura más baja entre la entrada y la salida de la bomba de calor, por lo que la estabilidad de las temperaturas del suelo es importante. Si el campo de circuito o la bomba de agua tienen un tamaño insuficiente, la adición o eliminación de calor puede empujar la temperatura del suelo más allá de las condiciones de prueba estándar y el rendimiento se degradará. De manera similar, un ventilador de tamaño insuficiente puede permitir que la bobina de la cámara se sobrecaliente y degrade su rendimiento.
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 de la ubicación elegida, generalmente de 7 a 12 ° C (45 a 54 ° F) a una profundidad de 6 metros (20 pies) en el norte de los Estados Unidos. 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 una eficiencia mucho mayor durante las temperaturas extremas del aire que los acondicionadores de aire y las bombas de calor de fuente de aire.
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 de la fuente de aire. Estos números normalmente no son aplicables y no deben compararse con las calificaciones de la bomba de calor de fuente terrestre. Sin embargo, Natural Resources Canada ha adaptado este enfoque para calcular los HSPF típicos ajustados estacionalmente para las bombas de calor de fuente terrestre en Canadá. [24] Los HSPF de la NRC oscilaron entre 8,7 y 12,8 BTU / h / vatio (2,6 a 3,8 en factores adimensionales, o una eficiencia media estacional de utilización de la electricidad del 255% al 375%) para las regiones más pobladas de Canadá. Cuando se combina con la eficiencia térmica de la electricidad, esto corresponde a las eficiencias térmicas promedio netas de 100% a 150%.
Impacto medioambiental
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha calificado a las bombas de calor de fuente terrestre como los sistemas de acondicionamiento de espacios más eficientes en energía, ambientalmente limpios y rentables disponibles. [40] Las bombas de calor ofrecen un potencial significativo de reducción de emisiones, especialmente cuando se utilizan tanto para calefacción como para refrigeración y donde la electricidad se produce a partir de recursos renovables.
Los GSHP tienen eficiencias térmicas insuperables y producen cero emisiones a nivel local, 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.
País | Intensidad de las emisiones de CO 2 de electricidad | Ahorro de GEI en relación con | ||
---|---|---|---|---|
gas natural | aceite de calefaccion | Calefacción eléctrica | ||
Canadá | 223 toneladas / GWh [41] [42] [43] | 2,7 ton / año | 5,3 ton / año | 3,4 ton / año |
Rusia | 351 toneladas / GWh [41] [42] | 1,8 ton / año | 4,4 ton / año | 5,4 ton / año |
nosotros | 676 toneladas / GWh [42] | −0,5 ton / año | 2,2 ton / año | 10,3 ton / año |
porcelana | 839 toneladas / GWh [41] [42] | −1,6 ton / año | 1.0 ton / año | 12,8 ton / año |
El ahorro de emisiones de GEI de una bomba de calor sobre un horno convencional se puede calcular con la siguiente fórmula: [7]
- HL = carga de calor estacional ≈ 80 GJ / año para una casa unifamiliar moderna en el norte de EE. UU.
- FI = intensidad de las emisiones de combustible = 50 kg (CO 2 ) / GJ para gas natural, 73 para combustible de calefacción, 0 para energía 100% renovable como 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 las emisiones de electricidad ≈ 200–800 ton (CO 2 ) / GWh, según la región
Las bombas de calor de fuente terrestre siempre producen menos gases de efecto invernadero que los acondicionadores de aire, los hornos de aceite y la calefacción eléctrica, pero los hornos de gas natural pueden ser competitivos dependiendo de la intensidad de los gases de efecto invernadero del suministro eléctrico local. En países como Canadá y Rusia con infraestructura de baja emisión de electricidad, una bomba de calor residencial puede ahorrar 5 toneladas de dióxido de carbono por año en comparación con un horno de petróleo, o tanto como sacar un automóvil de pasajeros promedio de la carretera. 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 un horno de gas natural. Sin embargo, para las áreas que no cuentan con infraestructura de gas natural, no existe una alternativa mejor.
Los fluidos utilizados en circuitos cerrados pueden diseñarse para ser biodegradables y no tóxicos, pero el refrigerante utilizado en el armario 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. [1] Aunque son inofensivos mientras están contenidos, las fugas y la eliminación inadecuada al final de su vida útil contribuyen a agrandar el agujero de ozono . Para las nuevas construcciones, este refrigerante se está eliminando gradualmente en favor del potente gas de efecto invernadero R410A , que no daña el ozono . El calentador de agua EcoCute es una bomba de calor de fuente de aire que utiliza dióxido de carbono como fluido de trabajo en lugar de clorofluorocarbonos . [ cita requerida ] Los sistemas de circuito abierto (es decir, los que extraen agua subterránea en lugar de los sistemas de circuito cerrado que utilizan un intercambiador de calor de pozo) deben equilibrarse reinyectando el agua gastada. Esto evita el agotamiento del acuífero y la contaminación del suelo o el agua superficial con salmuera u otros compuestos del subsuelo. [ cita requerida ]
Antes de perforar, se debe 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 ser la causa de daños considerables en edificios históricos allí. En 2008, se informó que el centro de la ciudad se había elevado 12 cm, [44] después de hundirse inicialmente unos pocos milímetros. [45] La perforación extrajo un acuífero presurizado de forma natural y, a través del pozo, esta agua entró en una capa de anhidrita, que se expande cuando está húmeda y forma yeso. La hinchazón se detendrá cuando la anhidrita reaccione por completo, y la reconstrucción del centro de la ciudad "no es conveniente hasta que cese el levantamiento". Para 2010 no se había logrado el sellado del pozo. [46] [47] [48] En 2010, algunas secciones de la ciudad habían aumentado 30 cm. [49]
La tecnología de bomba de calor de fuente terrestre, como la orientación de edificios, es una técnica de construcción natural ( construcción bioclimática ).
Ciencias económicas
Las bombas de calor de fuente terrestre 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 de fuente terrestre 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 solo en un puñado de países donde es excepcionalmente barato o donde la electricidad es excepcionalmente cara. [7] En general, un propietario puede ahorrar entre un 20% y un 60% anual en servicios públicos al cambiar de un sistema ordinario a un sistema de fuente terrestre. [50] [51]
Los costos de capital y la vida útil del sistema han recibido mucho menos estudio hasta hace poco, y el retorno de la inversión es muy variable. Los datos más recientes de un análisis de los pagos de incentivos de 2011-2012 en el estado de Maryland mostraron un costo promedio de los sistemas residenciales de $ 1.90 por vatio, o alrededor de $ 26,700 para un sistema doméstico típico (4 toneladas / 14 kW). [52] Un estudio anterior encontró que el costo total de instalación de un sistema con 10 kW (3 toneladas) de capacidad térmica para una residencia rural independiente en los EE. UU. Promedió entre $ 8000 y $ 9000 en dólares estadounidenses de 1995. [53] Estudios más recientes encontraron un costo promedio de $ 14,000 en dólares estadounidenses de 2008 para el mismo tamaño de sistema. [54] [55] El Departamento de Energía de EE. UU. Estima un precio de $ 7500 en su sitio web, actualizado por última vez en 2008. [56] Una fuente en Canadá colocó precios en el rango de $ 30 000 a $ 34 000 dólares canadienses. [57] La rápida escalada del precio del sistema ha ido acompañada 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 las aplicaciones residenciales, nuevas construcciones o existentes. En las remodelaciones, el costo de instalación se ve afectado por el tamaño de la sala de estar, la edad de la casa, las características del aislamiento, la geología del área y la ubicación de la propiedad. El diseño adecuado del sistema de conductos y el intercambio de aire mecánico deben considerarse en el costo inicial del sistema.
País | Período de amortización para reemplazar | ||
---|---|---|---|
gas natural | aceite de calefaccion | Calefacción eléctrica | |
Canadá | 13 años | 3 años | 6 años |
nosotros | 12 años | 5 años | 4 años |
Alemania | pérdida neta | 8 años | 2 años |
Notas:
|
Los costos de capital pueden compensarse con subsidios gubernamentales; por ejemplo, Ontario ofreció $ 7000 por sistemas residenciales instalados en el año fiscal 2009. Algunas compañías eléctricas ofrecen tarifas especiales a los clientes que instalan una bomba de calor de fuente terrestre para calentar o enfriar su edificio. [58] Cuando las plantas eléctricas tienen cargas más grandes 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 por la instalación de bombas de calor terrestres en las residencias de los clientes. Alquilan los sistemas a sus clientes por una tarifa mensual, con un ahorro total 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 de bucle tienen garantías de 25 a 50 años y se espera que duren al menos de 50 a 200 años. [50] [59] Las bombas de calor terrestres utilizan electricidad para calentar la casa. La mayor inversión por encima de los sistemas convencionales de petróleo, propano o eléctricos se puede devolver en ahorros de energía en 2 a 10 años para los sistemas residenciales en los EE. UU. [12] [51] [59] Si se compara con los sistemas de gas natural, el período de recuperación puede ser mucho más largo o inexistente. El período de recuperación para los sistemas comerciales más grandes en los EE. UU. Es de 1 a 5 años, incluso en comparación con el gas natural. [51] Además, debido a que las bombas de calor geotérmicas generalmente no tienen compresores exteriores o torres de enfriamiento, el riesgo de vandalismo se reduce o elimina, lo que puede extender la vida útil de un sistema. [60]
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 de tierra es más cálida en climas que necesitan aire acondicionado fuerte y más fría en climas que necesitan calefacción fuerte). La viabilidad financiera de estos sistemas depende del tamaño adecuado de los intercambiadores de calor de tierra (GHE), que generalmente contribuyen más a la costos de capital generales de los sistemas GSHP. [61]
Los costos de mantenimiento de sistemas comerciales en los EE. UU. Han estado históricamente 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. [15]
Los gobiernos que promueven la energía renovable probablemente ofrecerán incentivos para los mercados de consumidores (residencial) o industriales. Por ejemplo, en los Estados Unidos, los incentivos se ofrecen tanto a nivel estatal como federal de gobierno. [62] En el Reino Unido, el Incentivo de calor renovable proporciona un incentivo financiero para la generación de calor renovable basado en lecturas medidas anualmente durante 20 años para edificios comerciales. El incentivo de calor renovable nacional se introducirá en la primavera de 2014 [63] durante siete años y se basará en el calor estimado.
Instalación
Debido al conocimiento técnico y al equipo necesario para diseñar y dimensionar el sistema correctamente (e instalar la tubería si se requiere fusión por 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 ), [64] Organización de Intercambio Geotérmico (GEO), [65] la Coalición Canadiense GeoExchange y la Asociación de Bombas de Calor de Fuente Terrestre mantienen listas de instaladores calificados en los EE. UU., Canadá y el Reino Unido. [66] Además, el análisis detallado de la conductividad térmica del suelo para sistemas horizontales y la conductividad térmica de la formación para sistemas verticales generalmente dará como resultado sistemas diseñados con mayor precisión con una mayor eficiencia. [67]
Ver también
- Bomba de calor de absorción
- Intercambiador de calor acoplado a tierra
- Calefacción urbana fría
- Refrigeración solar térmica
- Termosifón
- Calor renovable
- Asociación internacional de bombas de calor de fuente terrestre
- Glosario de calefacción y refrigeración geotérmica
- Código mecánico uniforme
- Intercambiadores de calor de suelo en espiral para aplicaciones de bombas de calor
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enlaces externos
- Bombas de calor geotérmicas ( EERE / USDOE ).
- Cálculo de costo
- Consorcio de bombas de calor geotérmicas
- Asociación internacional de bombas de calor de fuente terrestre
- Asociación de bombas de calor de fuente terrestre (GSHPA)