Bomba de calor geotérmica de intercambio directo

Una bomba de calor geotérmica de intercambio directo (DX) es un tipo de bomba de calor de fuente terrestre en la que el refrigerante circula a través de tuberías de cobre colocadas en el suelo, a diferencia de otras bombas de calor de fuente terrestre donde el refrigerante está restringido a la propia bomba de calor con un circuito secundario en el suelo lleno de una mezcla de agua y anticongelante. ^{[ 1 ]}

La simplicidad de los diseños DX radica en que se pueden alcanzar altas eficiencias utilizando una cantidad menor y más corta de tubería enterrada, lo que reduce tanto el espacio ocupado como el costo de instalación. ^{[ 2 ]}

Esta tecnología tiene muchos otros nombres y designaciones diferentes:

• Bomba de calor geotérmica de intercambio directo
• DX
• Bombas de calor de intercambio geotérmico directo: utilizadas por el Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración (AHRI) y abreviadas como DGX. Archivado el 18/11/2016 en Wayback Machine.
• Bombas de calor geotérmicas de expansión directa: utilizadas por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE).
• Bombas de calor geotérmicas directas
• Sistemas geotérmicos basados ​​en refrigerantes
• Geotermia sin agua

La primera bomba de calor geotérmica fue un sistema DX construido a finales de la década de 1940 por Robert C. Webber. ^{[ 3 ]} Utilizaba gas freón y tuberías de cobre enterradas para aumentar la eficiencia.

Posteriormente, los diseños de bombas de calor geotérmicas comenzaron a incorporar un circuito adicional de tuberías de plástico para hacer circular el agua en pozos profundos, con el fin de obtener suficiente calor para grandes aplicaciones industriales, como las plantas de cemento. De esta manera, la tecnología de captación de agua avanzó debido al interés industrial, mientras que la tecnología DX, más adecuada para proyectos residenciales y comerciales ligeros, como pequeñas empresas y viviendas particulares, se quedó rezagada.

Si bien la tecnología se expandió en las décadas de 1980 y 1990, varios de los primeros fabricantes enfrentaron problemas con el sistema de gestión de refrigerante y aceite. En el pasado, algunos fabricantes de sistemas geotérmicos de expansión directa (DX) diseñaron sus equipos de forma similar a las bombas de calor convencionales que se venden actualmente en el mercado. Algunos de estos diseños antiguos de sistemas geotérmicos DX funcionaron de maravilla, mientras que otros presentaron problemas con el retorno del aceite .

En 2016 se sugirió que solo una minoría de los sistemas futuros utilizarían la tecnología DX. ^{[ 4 ]}

Las bombas de calor de intercambio directo son sistemas geotérmicos de circuito cerrado que utilizan tuberías de cobre (de 6 mm a 28 mm) para intercambiar calor con la tierra. Estas tuberías se colocan bajo tierra y forman un circuito subterráneo, también conocido como circuito de tierra o circuito de refrigerante, donde el refrigerante circulante experimenta una transición de fase al intercambiar calor con el suelo: en modo calefacción, absorbe calor y pasa de líquido a gas (evaporación), mientras que en modo refrigeración, libera calor y pasa de gas a líquido (condensación).

Los sistemas de intercambio directo son sistemas de refrigeración bastante sencillos que funcionan sin necesidad de anticongelantes, purga del sistema, bomba de circulación, perforación de pozos de agua ni tuberías. Los sistemas geotérmicos de intercambio directo son los menos invasivos y cuentan con un circuito subterráneo de tamaño reducido. Por ello, pueden instalarse en áreas relativamente pequeñas y en suelos poco profundos; la profundidad típica del circuito no supera los 30 metros lineales. La compacidad de los sistemas de circuito subterráneo, que requieren menos perforación y pozos de menor diámetro, da como resultado un sistema más sencillo, económico y de instalación más rápida.

Los sistemas de intercambio directo utilizan cobre por ser un excelente material para intercambiadores de calor geotérmicos y por su facilidad de fabricación. Los tubos de cobre son resistentes y dúctiles, resistentes a la corrosión, poseen una conductividad térmica muy alta y están disponibles en diversos diámetros y en longitudes de bobina largas. Las conexiones de cobre se pueden soldar, los tubos se pueden doblar y, además, son económicos.

Además, el cobre tiene una larga historia de uso en sistemas de aire acondicionado y refrigeración , y es el material preferido para el agua potable en las tuberías enterradas y en los edificios.

El cobre se ha utilizado desde la antigüedad en construcciones arquitectónicas por ser un metal noble, uno de los pocos que se encuentran de forma natural en la tierra. Esto lo convierte en un material duradero, resistente a la intemperie y a la corrosión, con una vida útil prácticamente ilimitada en la mayoría de los suelos.

Aunque el cobre se extrae de la tierra y es un metal noble —y, por lo tanto, es casi completamente inmune a la corrosión en los suelos de todo el mundo—, puede sufrir cierta corrosión en suelos anormalmente agresivos. ^{[ 5 ]} Generalmente, se requiere un ambiente oxidante para que comience la corrosión, y la mayoría de los suelos son reductores, por lo que aportan electrones al cobre y lo protegen contra la corrosión. En aquellas zonas donde pueden existir condiciones corrosivas, el cobre formará de forma natural una película protectora en su superficie que permanece intacta en la mayoría de las condiciones del suelo.

Para prevenir la corrosión en suelos particularmente corrosivos, los sistemas DX incorporan un sistema de protección catódica . Este sistema protege la superficie metálica de la corrosión convirtiéndola en el cátodo de una celda electroquímica. En este proceso, el metal (cobre) se conecta a un metal de sacrificio que se corroe en su lugar. La corrosión de los metales es un proceso electroquímico de deterioro que resulta de la pérdida de electrones al reaccionar con el agua y/o el oxígeno. A medida que la corriente fluye desde el sistema de protección de bucle de tierra, la superficie metálica protegida recibe un potencial eléctrico negativo uniforme que impide la corrosión de los bucles de tierra, incluso en entornos hostiles.

El sistema de bucle de tierra se puede instalar en varias configuraciones diferentes. Las tres configuraciones más comunes son:

1. Vertical
2. Diagonal
3. Horizontal

Las configuraciones diagonales y verticales generalmente requieren perforación e inyección de lechada en pozos perforados. La lechada sella el subsuelo para que los acuíferos naturales no se vean afectados. Todos los sistemas diagonales y verticales deben inyectarse desde la base hasta la superficie.

Los sistemas diagonales suelen ocupar muy poco espacio.

Las configuraciones horizontales generalmente solo requieren la instalación en zanjas excavadas o fosas. Los sistemas horizontales no suelen requerir lechada, excepto en el caso de perforación direccional.

Los sistemas DX se fabrican actualmente en tamaños que van desde 2 toneladas (7,03 kW) hasta 6 toneladas (21,10 kW). Los proyectos de mayor envergadura pueden realizarse mediante la instalación de varias unidades.

• Refrigeración mediante fuente de agua profunda
• Calefacción y refrigeración geotérmica
• Bomba de calor geotérmica
• Intercambiador de calor acoplado al suelo
• Bombas de calor

• Bombas de calor geotérmicas (Departamento de Energía de EE. UU.)
• Departamento de Energía de los Estados Unidos
• Organización de Intercambio Geotérmico (GEO)
• Coalición Canadiense de Geointercambio Archivado el 5 de febrero de 2014 en Wayback Machine
• Asociación Internacional de Bombas de Calor Geotérmicas (IGSHPA)
• Asociación de Bombas de Calor Geotérmicas – Reino Unido
• Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración (AHRI) Archivado el 18/11/2016 en Wayback Machine
• La Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE)
• Asociación para el Desarrollo del Cobre Inc.