Ingeniería y climatización

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Geotermia, y energías renovables

GEOTERMIA

Introducción:

La energía que almacena la Tierra en forma de calor se le denomina Energía Geotérmica. Esta energía, disponible en cualquier lugar y en cantidad inagotable la podemos extraer, transportar y finalmente entregarla a lugares donde sea requerida.

Para realizar este proceso, como todo aquel que requiera una extracción y transporte se necesita de la participación de una bomba y que en nuestro caso se trata de la llamada Bomba de Calor.

Descripción:

Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir calor de un foco frío a un foco caliente. Para lograr esta acción, es necesario un aporte de energía (compresor) dado que por la segunda ley de la termodinámica, el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualan.

Una bomba de calor emplea un fluido refrigerante, con un bajo punto de ebullición y la acción de su cambio de fase. éste requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y extrae esa energía de su alrededor en forma de calor.

La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina y viceversa.

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Más información:

Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance) coeficiente de eficiencia energética mayor que la unidad. Aunque esto puede parecer imposible, se debe a que en realidad se está moviendo calor usando energía, en lugar de producir calor como en el caso de las resistencias eléctricas. Una parte muy importante de este calor se toma de la entalpía del medio. En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.

Formula de geotermia, 1

Las Bombas de Calor también pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicación que requiere frío al entorno que se encuentra a temperatura superior.

Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas, el COP (coefficient of performance) y el EER (efficiency energy rate). Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío:

Formula segunda

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Si la bomba de calor está usándose para calentar una zona, el efecto útil es el calor introducido:

formula tercera
croquis geotermia 1

Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y cinco, dependiendo de muchas variables, entre ellas de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos y del tipo de Bomba de Calor.

Decíamos anteriormente que la cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente y que cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina. Pues bien, pongamos un caso, queremos calefactar un recinto hasta alcanzar 24 C bombeando calor del exterior. El calor podemos bombearlo desde el aire exterior que esta a 0 C (invierno) o desde el interior de la Tierra que esta a 14-15 C de modo constante a lo largo de todo el año. Obviamente de acuerdo a lo expuesto anteriormente a la bomba le costará menos y por tanto consumirá menos energía bombeando calor desde la Tierra que desde el aire reinante y como resultado un mayor rendimiento y eficiencia en el proceso.

Según el medio de origen y destino de la energía la Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). Para nuestro caso estamos hablando de una Bomba de Calor Agua-Agua, es decir, mediante circuitos de agua extraemos calor de la Tierra y lo enviamos a los recintos de destino.

Resumiendo en pocas palabras en la Geotermia se trata de extraer y bombear calor desde la tierra y elevar su temperatura para posteriormente cederlo a otro medio.

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En función de la temperatura y la profundidad, pueden clasificarse dichas aplicaciones en:

  • Aplicaciones de alta temperatura: más de 150C (utilizada para centrales eléctricas por ejemplo).
  • Aplicaciones de media temperatura: entre 35C y 150C (Puede utilizarse de forma directa para la calefacción y la producción de frío por absorción).
  • Aplicaciones de baja temperatura.

Las bombas de calor tierra agua pueden encuadrarse dentro de éstas últimas, siendo su uso indirecto, puesto que aprovechan la temperatura casi constante del terreno en zonas muy próximas a la superficie para emplear dicho terreno como sumidero en el ciclo frigorífico, tanto en verano como en invierno.

Esta aplicación geotérmica es indirecta, ya que lo que realmente se aprovecha del terreno, es la temperatura constante que éste tiene a unos metros de distancia de la superficie y su invariabilidad en función de las condiciones exteriores. Es precisamente este hecho lo que hace interesante el uso de esta energía, ya que al ser la temperatura del terreno prácticamente constante, también lo es la temperatura de intercambio en el circuito de agua y como consecuencia la temperatura frigorífica en la bomba de calor, lo que implica que el rendimiento es muy constante a lo largo de toda la temporada. Este hecho unido a la selección del captador de manera que dicho rendimiento sea suficientemente alto es lo que supone un ahorro de energía frente a un sistema convencional.

Un sumidero bastante interesante si tenemos en cuenta las pequeñas variaciones experimentadas a pocos metros de la superficie frente a grandes variaciones de temperatura en el ambiente (a 2 metros +/-5C).

Existen básicamente tres tipos de instalaciones de la bomba de calor que usen el terreno como sumidero.

Bomba de calor con redes de refrigerante enterradas y distribución mediante refrigerante: En este tipo de instalaciones el refrigerante se distribuye mediante tuberías de cobre plastificadas a lo largo del terreno actuando éste directamente como condensador o evaporador, del mismo modo la distribución en el recinto a acondicionar se realiza mediante la red de refrigerante con expansión directa en el propio habitáculo. Este tipo de sistemas requieren un gran volumen de refrigerante con una instalación delicada, además de presentar un gran riesgo de fugas.

El mismo problema presentan aquellas instalaciones en las que las redes de refrigerante van directamente al terreno y en la distribución se emplea agua.

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Por último tenemos las bombas de calor con redes de agua glicolada enterradas y agua en distribución, también conocidas como bombas de calor tierra-agua.

En este caso pueden emplearse redes de tuberías plásticas tanto horizontales como verticales.

El uso de anticongelante es obligatorio para garantizar el funcionamiento en los casos en los que sea necesario evaporar a temperaturas negativas. En estas instalaciones es fundamental tener un control preciso del caudal de agua que circula por el evaporador del equipo (en invierno) debiendo fijar una temperatura de evaporación mínima en función a la cuál actuaremos sobre el caudal en el evaporador (en invierno) y el condensador (en verano).

Existen dos posibilidades para la construcción de redes de tuberías de agua enterradas:

Disposición vertical:

Consiste en tubos plásticos (polietileno de alta densidad ensamblado normalmente por termo-soldadura), de pequeño diámetro (de 20 a 40 mm de diámetro nominal) en forma de U enterrados en un pozo que puede tener una profundidad variable desde 15 hasta 180 metros. A cien metros de profundidad la temperatura puede oscilar entre 10 y 18C dependiendo de las características del terreno.

Las ventajas de este tipo de sistema son el reducido espacio ocupado al tener disposición vertical y una menor longitud de tubería. Por contra su mayor inconveniente es un coste más elevado.

Disposición horizontal:

Menos cara, pero en contraposición se necesita mayor superficie para igual potencia, y existe mayor exposición a las fluctuaciones del ambiente.

Como norma general podríamos decir que la cantidad de superficie necesaria en horizontal es de 1,5 a dos veces la superficie a climatizar.

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