Bombas de calor polivalentes para aplicaciones geotérmicas

Bombas de calor para geotermia

La utilización de bombas de calor para geotermia se ha afianzado en toda Europa en el sector residencial como alternativa a las calderas tradicionales.
Las fuentes geotérmicas son especialmente aptas para bombas de calor gracias a favorables niveles térmicos y a la constancia de la temperatura a lo largo de todos los periodos del año.
Si bien este es un beneficio desde el punto de vista energético y, en consecuencia, también medioambiental, ya que aumenta el valor medio de trabajo del COP (EER), requiere una serie de consideraciones constructivas y de instalación de las máquinas que difieren de los sistema tradicionales en los que se emplean bombas de calor aire / agua.
Los sistemas polivalentes EXP en instalaciones de 2 tubos, son una evolución al servicio de las instalaciones geotérmicas y por tanto pueden ser consideradas como la solución más apropiada desde un punto de vista energético y de sencillez de instalación, al menos para el sector residencial.
Estas máquinas, en ejecución aire-agua llevan en el mercado desde mediados de los noventa. Son máquinas tecnológicamente avanzadas, fabricadas sólo por un reducido grupo de empresas. Actualmente están disponibles para sistemas de geotermia, también en ejecución agua-agua. Siendo incluso más interesantes en esta configuración, porque resuelven una serie de problemas de instalación y funcionamiento que, de otro modo, serían complicados de solventar, como veremos a continuación.
1. INTRODUCCION
El uso de productos geotérmicos en el sector residencial tiene como objetivo principal reducir las emisiones de CO2 a un mínimo en la atmósfera de acuerdo con el tratado de Kyoto.
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 menos que los de las calderas de condensación o el de las bombas de calor aire-agua.
El índice que representa la emisión de CO2 producido durante el ciclo de vida de un generador de calor (caldera o bomba de calor) se llama TEWI (calentamiento total equivalente).
Es la suma de dos factores: el GDP ( Calentamiento Global Directo ) , que indica el efecto invernadero producido por la dispersión en la atmósfera de gases de efecto invernadero , y IGW (Calentamiento Global Indirecto ) que indica el efecto invernadero debido al consumo de combustibles fósiles o energía eléctrica.
A partir de los dos factores de TEWI, IGW es de lejos el que más afecta: por lo tanto es en este último en el que hay que actuar con el fin de limitar sustancialmente las emisiones.
Puede ser interesante comparar rápidamente el impacto ambiental de las bombas de calor con la de otros generadores. Esta comparación puede basarse en la cantidad de kg de dióxido de carbono emitido para producir kWh térmico.
La combustión de 1 m3 de metano produce 2 kg de CO2 y teniendo 1 kWh eléctrica de la red de distribución emite a la atmósfera en promedio 0,6 kg de CO2, se genera el diagrama de la figura 1 (valor unitario de IGW), es decir, la cantidad de dióxido de carbono emitido para producir 1 kWh térmicos.

La figura muestra claramente cómo las bombas de calor eléctricas tienen un menor impacto ambiental a la de las calderas de gas, para valores de COP superior a 2,5.
Con las bombas de calor en un sistema polivalente geotérmico el rendimiento en modo recuperación puede llegar a un valor de 5,8.
2. VENTAJAS ENERGÉTICAS DE LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS
El aire es la fuente térmica más difundida y utilizada para bombas de calor . La ventaja de aire es que siempre está disponible a un coste cero y fácilmente explotable, con la excepción de los problemas relacionados con el ruido debido a los ventiladores de las máquinas.
Presenta tres inconvenientes fundamentales que son debidos a la escasa capacidad de transferencia de calor del aire y la dependencia del funcionamiento con la temperatura y humedad del mismo.
Cuando las temperaturas exteriores son bajas el rendimiento frigorífico en modo calor de las bombas de calor se ve seriamente mermado. Además se puede producir hielo en la batería siendo necesario eliminarlo mediante inversión del ciclo frigorífico. Este proceso es conocido comúnmente como desescarche.
La formación de escarcha y los ciclos de descongelación consiguientes reducen la eficiencia de las bombas de calor , en un orden aproximado al 10 % por cada ciclo de descongelación.
Existen fuentes termales alternativas al aire que pueden ser explotadas de una manera mucho más simple de lo que se piensa comúnmente. Estos son:
• Aguas superficiales (mar, lagos, arroyos y ríos)
• Aguas subterráneas
• El suelo
La fuente termal más sencilla de utilizar en España es sin duda el mar.
España cuenta con muchos kilómetros de costa y la temperatura del agua varía en promedio entre un mínimo de 8 ° C en invierno y 25 ° C en verano, sobre todo si la admisión del agua al sistema se sitúa a pocos metros bajo la superficie.
Sólo en las lagunas internas que se caracterizan por aguas poco profundas las temperaturas son más bajas, tan bajas como 4 ° C durante los días más fríos del año.
En cualquier caso y por razones obvias el método más empleado es utilizar el suelo como fuente térmica. A una cierta profundidad, la temperatura del suelo se estabiliza a un valor de alrededor de la temperatura media anual del aire, por lo tanto, a un nivel 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 y, sobre todo, no requieren ningún ciclo de descongelación.
La COP que se puede llegar en general es siempre por encima de 3,2 para la temperatura del agua producida a los 45 ° C en un sistema convencional de geotermia. Con un sistema polivalente este valor puede incluso llegar a los 5,8.
3. FUNCIONAMIENTO ESTACIONAL DE LAS BOMBAS DE CALOR
Cuando las bombas de calor son 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 las bombas de calor tradicionales, especialmente en el caso de sistemas geotérmicos si se desean unos niveles energéticos altamente eficientes.
4. INTRODUCCIÓN. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA GEOTERMICO POLIVALENTE
Las unidades polivalentes están dotadas de tres intercambiadores distintos: uno principal para circuito de producción (evaporador / condensador), otro para el circuito de suelo, (condensador / evaporador) y otro secundario para circuito de ACS (recuperador). Así mismo, están dotadas de un evolucionado control microprocesado que gestiona los modos de funcionamiento de forma autónoma, para satisfacer las necesidades de la instalación y el correcto funcionamiento de la máquina.
Su uso está previsto para aplicaciones de climatización o de proceso industrial 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.
El sistema polivalente halla su aplicación natural como alternativa válida para todas aquellas instalaciones tradicionales que han previsto la utilización de enfriadoras o de bombas de calor , con la integración de una caldera de apoyo.
Las ventajas derivan de la utilización de una sola unidad, del ahorro económico gracias a los elevados COP (5,8), y a la no utilización de productos combustibles dañinos para el ozono, lo que permite su definición como máquina polivalente ecológica.
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.
4.1 FUNCIONAMIENTO ESTACIONAL DE LAS BOMBAS DE CALOR POLIVALENTES.
SISTEMAS EXP.
En realidad una máquina polivalente se trataría en definitiva de dos máquinas en una, la bomba de calor reversible dedicada a cubrir la demanda derivada del sistema de calefacción y refrigeración, así como la 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:
imagen
 →  Sólo frío atendiendo la demanda del circuito principal.
 →  Frío atendiendo la demanda del circuito principal y calor para cubrir demanda de ACS.
 →  Calor para producción de ACS.
 →  Calor atendiendo la demanda del circuito principal.
Pasamos a detallar todos estos modos de funcionamiento.
4.1.1.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 cumplimentada, 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.

4.1.2.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 las bombas de calor tradicionales 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 bombas de calor con recuperación, la situación mejoraría puesto que con una las bombas de calor 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. La máquina polivalente se auto gestiona, sin necesidad de elementos de control externo. 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.
4.1.3.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.

4.1.4.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.

5. 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.