Bomba de calor geotérmica

Una bomba de calor geotérmica (también conocida como bomba de calor terrestre ) es un sistema de calefacción/refrigeración para edificios que utiliza una bomba de calor para transferir calor desde o hacia el suelo, aprovechando la relativa constancia de las temperaturas de la tierra a lo largo de las estaciones. Las bombas de calor geotérmicas (GSHP, por sus siglas en inglés) —o bombas de calor geotérmicas (GHP, por sus siglas en inglés ), como se las denomina comúnmente en Norteamérica— se encuentran entre las tecnologías más eficientes energéticamente para proporcionar climatización y calentamiento de agua , utilizando menos energía que la que consumen los calentadores eléctricos resistivos .

La eficiencia se expresa como un coeficiente de rendimiento (CoP), que suele estar entre 3 y 6, lo que significa que los dispositivos proporcionan entre 3 y 6 unidades de calor por cada unidad de electricidad consumida. Los costes de instalación son más elevados que los de otros sistemas de calefacción debido a la necesidad de instalar circuitos subterráneos en grandes superficies o de perforar pozos. ^{[ 1 ]} Las bombas de calor aerotérmicas tienen costes de instalación más bajos, pero presentan un CoP menor en climas muy fríos o muy cálidos.

Las bombas de calor geotérmicas aprovechan la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura a distintas profundidades en el subsuelo.

Las propiedades térmicas del suelo cerca de la superficie ^{[ 2 ] [ 3 ]} se pueden describir de la siguiente manera:

• En la capa superficial , hasta una profundidad de aproximadamente 1 metro, la temperatura es muy sensible a la luz solar y a las condiciones climáticas.
• En la capa superficial, hasta una profundidad de entre 8 y 20 metros (dependiendo del tipo de suelo), la masa térmica del terreno provoca que la variación de la temperatura disminuya exponencialmente con la profundidad hasta aproximarse a la temperatura media anual del aire local; además, se produce con cierto retraso respecto a la temperatura de la superficie, de modo que la temperatura máxima se alcanza unos 6 meses después de la temperatura máxima de la superficie.
• Debajo de esa capa, en la capa más profunda , la temperatura es prácticamente constante, aumentando aproximadamente 0,025  °C por metro según el gradiente geotérmico .

La "profundidad de penetración" ^{[ 3 ]} se define como la profundidad a la cual la variable de temperatura es menor que 0,01 de la variación en la superficie. Esto también depende del tipo de suelo:

La bomba de calor fue descrita por Lord Kelvin en 1853 y desarrollada por Peter Ritter von Rittinger en 1855. Heinrich Zoelly patentó la idea de usarla para extraer calor del suelo en 1912. ^{[ 4 ]}

Después de experimentar con un congelador, Robert C. Webber construyó la primera bomba de calor geotérmica de intercambio directo a finales de la década de 1940; sin embargo, las fuentes discrepan sobre la cronología exacta de su invención. ^{[ 4 ] [ 5 ]} El primer proyecto comercial exitoso se instaló en el Commonwealth Building (Portland, Oregón) en 1948 y ha sido designado Monumento Histórico Nacional de Ingeniería Mecánica por la ASME . ^{[ 6 ]} El profesor Carl Nielsen de la Universidad Estatal de Ohio construyó la primera versión residencial de circuito abierto en su casa en 1948. ^{[ 7 ]}

Como consecuencia de la crisis del petróleo de 1973 , las bombas de calor geotérmicas se popularizaron en Suecia y, desde entonces, su popularidad ha ido creciendo lentamente a nivel mundial a medida que la tecnología ha mejorado. Los sistemas de circuito abierto dominaron el mercado hasta que el desarrollo de las tuberías de polibutileno en 1979 hizo que los sistemas de circuito cerrado fueran económicamente viables. ^{[ 6 ]}

En 2004, había más de un millón de unidades instaladas en todo el mundo, que proporcionaban 12  GW de capacidad térmica con una tasa de crecimiento del 10 % anual. ^{[ 8 ]} Cada año (en 2011/2004, respectivamente), se instalaban unas 80 000 unidades en EE. UU. ^{[ 9 ]} y 27 000 en Suecia. ^{[ 8 ]} En Finlandia, la bomba de calor geotérmica fue la opción de sistema de calefacción más común para las casas unifamiliares nuevas entre 2006 y 2011 con una cuota de mercado superior al 40 %. ^{[ 10 ]} En 2021, las bombas de calor representaron el 10 % de las ventas mundiales de equipos de calefacción. ^{[ 11 ]}

En el Reino Unido , el Plan de Modernización de Calderas de 2022 ha impulsado la demanda de bombas de calor geotérmicas. ^{[ 12 ]} En 2023, se instalaron 2469 bombas de calor geotérmicas en el Reino Unido. ^{[ 13 ]} El plan finaliza en 2027. ^{[ 12 ]}

Debido a los conocimientos técnicos y el equipo necesarios para diseñar y dimensionar el sistema correctamente (e instalar las tuberías si se requiere fusión térmica), la instalación de un sistema GSHP requiere los servicios de un profesional. Varios instaladores han publicado visualizaciones en tiempo real del rendimiento del sistema en una comunidad en línea de instalaciones residenciales recientes. La Asociación Internacional de Bombas de Calor Geotérmicas ( IGSHPA ), ^{[ 21 ]} la Organización de Intercambio Geotérmico (GEO), ^{[ 22 ]} la Coalición Canadiense de Intercambio Geotérmico y la Asociación de Bombas de Calor Geotérmicas mantienen listados de instaladores calificados en EE. UU., Canadá y el Reino Unido. ^{[ 23 ]} Además, un análisis detallado de la conductividad térmica del suelo para sistemas horizontales y de la conductividad térmica de la formación para sistemas verticales generalmente dará como resultado sistemas diseñados con mayor precisión y con mayor eficiencia. ^{[ 24 ]}

El rendimiento de refrigeración se expresa normalmente en unidades de BTU/h/vatio como índice de eficiencia energética (EER), mientras que el rendimiento de calefacción se reduce a unidades adimensionales como coeficiente de rendimiento (COP). El factor de conversión es 3,41 BTU/h/vatio. Dado que una bomba de calor transfiere de tres a cinco veces más energía térmica que la energía eléctrica que consume, la energía total de salida es mucho mayor que la energía eléctrica de entrada. Esto da como resultado eficiencias térmicas netas superiores al 300% en comparación con la calefacción eléctrica radiante, que tiene una eficiencia del 100%. Los hornos de combustión tradicionales y los calentadores eléctricos nunca pueden superar el 100% de eficiencia. Las bombas de calor geotérmicas pueden reducir el consumo de energía —y las correspondientes emisiones de contaminación atmosférica— hasta en un 72% en comparación con la calefacción eléctrica por resistencia con equipos de aire acondicionado estándar. ^{[ 25 ]}

Los compresores eficientes, los compresores de velocidad variable y los intercambiadores de calor más grandes contribuyen a la eficiencia de las bombas de calor. Las bombas de calor geotérmicas residenciales disponibles actualmente en el mercado tienen COP estándar que oscilan entre 2,4 y 5,0 y EER que oscilan entre 10,6 y 30. ^{[ 26 ] [ 27 ]} Para obtener la etiqueta Energy Star , las bombas de calor deben cumplir con ciertos valores mínimos de COP y EER que dependen del tipo de intercambiador de calor geotérmico. Para sistemas de circuito cerrado, el COP de calefacción ISO 13256-1 debe ser de 3,3 o superior y el EER de refrigeración debe ser de 14,1 o superior. ^{[ 28 ]}

Las normas 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 aerotérmicas. Estos números normalmente no son aplicables y no deben compararse con las clasificaciones de las bombas de calor geotérmicas. Sin embargo, Recursos Naturales de Canadá ha adaptado este enfoque para calcular los HSPF típicos ajustados estacionalmente para las bombas de calor geotérmicas en Canadá. ^{[ 16 ]} Los HSPF de NRC oscilaron entre 8,7 y 12,8 BTU/hr/watt (2,6 a 3,8 en factores adimensionales, o 255 % a 375 % de eficiencia de utilización de electricidad promedio estacional) para las regiones más pobladas de Canadá.

Para 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 (ISO) han establecido algunas condiciones de prueba estándar . Las clasificaciones estándar ARI 330 estaban destinadas a bombas de calor geotérmicas de circuito cerrado y asumen 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 en el norte de los EE. UU. Las clasificaciones estándar ARI 325 estaban destinadas a bombas de calor geotérmicas de circuito abierto e incluyen dos conjuntos de clasificaciones para temperaturas del agua subterránea de 10 °C (50 °F) y 21 °C (70 °F) . ARI 325 asigna más electricidad para el bombeo de agua que ARI 330. Ninguna de estas normas intenta tener en cuenta las variaciones estacionales. Las clasificaciones estándar ARI 870 están destinadas a bombas de calor geotérmicas de intercambio directo. ASHRAE adoptó la norma ISO 13256-1 en 2001, que reemplaza a las normas ARI 320, 325 y 330. La nueva norma ISO produce clasificaciones ligeramente superiores porque ya no contempla el consumo eléctrico de las bombas de agua. ^{[ 26 ]}        

El suelo, sin adición ni sustracción artificial de calor y a profundidades de varios metros o más, mantiene una temperatura relativamente constante durante todo el año. Esta temperatura equivale aproximadamente a la temperatura media anual del aire en la ubicación elegida, que suele oscilar entre 7 y 12 °C (45 y 54 °F) a una profundidad de 6 metros (20 pies) en el norte de Estados Unidos. Debido a que esta temperatura se mantiene más constante que la temperatura del aire a lo largo de las estaciones, las bombas de calor geotérmicas funcionan con mucha mayor eficiencia durante temperaturas extremas que los aires acondicionados y las bombas de calor aerotérmicas.   

Almacenamiento térmico estacional

La eficiencia de las bombas de calor geotérmicas puede mejorarse considerablemente mediante el almacenamiento estacional de energía térmica y la transferencia de calor entre estaciones. ^{[ 31 ]} El calor capturado y almacenado en bancos térmicos durante el verano puede recuperarse eficientemente en invierno. La eficiencia del almacenamiento de calor aumenta con la escala, por lo que esta ventaja es especialmente significativa en sistemas de calefacción comerciales o de distrito .

Los sistemas combinados geosolares se han utilizado para calentar y enfriar un invernadero utilizando un acuífero para el almacenamiento térmico. ^{[ 20 ] [ 32 ]} En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea fría. Esto calienta el agua del acuífero, que puede convertirse en una fuente de calor para la calefacción en invierno. ^{[ 32 ] [ 33 ]} La combinación de almacenamiento de frío y calor con bombas de calor se puede combinar con la regulación del agua/humedad. Estos principios se utilizan para proporcionar calor y refrigeración renovables ^{[ 34 ]} a todo tipo de edificios.

Asimismo, la eficiencia de las pequeñas instalaciones de bombas de calor existentes puede mejorarse añadiendo colectores solares grandes, económicos y llenos de agua. Estos pueden integrarse en un estacionamiento que se vaya a remodelar, o en muros o techos, instalando tuberías de polietileno de una pulgada en la capa exterior.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha calificado a las bombas de calor geotérmicas como los sistemas de climatización más eficientes energéticamente, respetuosos con el medio ambiente y rentables disponibles. ^{[ 35 ]} Las bombas de calor ofrecen un potencial significativo de reducción de emisiones cuando la electricidad se produce a partir de recursos renovables.

Las bombas de calor geotérmicas (GSHP) ofrecen una eficiencia térmica inigualable y generan cero emisiones locales, pero su suministro eléctrico incluye componentes con altas emisiones de gases de efecto invernadero, a menos que provenga de una fuente de energía 100% renovable . Por lo tanto, su impacto ambiental depende de las características del suministro eléctrico y de las alternativas disponibles.

El ahorro en emisiones de GEI de una bomba de calor en comparación con un horno convencional se puede calcular según la siguiente fórmula: ^{[ 39 ]}

${\displaystyle {\text{Ahorro de GEI}}=\mathrm {HL} \left({\frac {\mathrm {FI} }{\mathrm {AFUE} \times 1000{\frac {\mathrm {kg} }{\mathrm {ton} }}}}-{\frac {\mathrm {EI} }{\mathrm {COP} \times 3600{\frac {\mathrm {seg} }{\mathrm {hr} }}}}\right)}$

• HL = carga térmica estacional ≈ 80 GJ/año para una casa unifamiliar moderna en el norte de Estados Unidos.
• FI = intensidad de emisiones del combustible = 50  kg(CO₂ ₎ /GJ para gas natural, 73 para gasóleo de calefacción, 0 para energía 100% renovable como la eólica, la hidroeléctrica, la fotovoltaica o la 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 bombas de calor del norte de EE. UU.
• EI = intensidad de emisiones de electricidad ≈ 200–800 toneladas (CO₂ ₎ /GWh, dependiendo de la combinación de centrales eléctricas de la región (carbón frente a gas natural frente a nuclear, hidroeléctrica, eólica y solar)

Las bombas de calor geotérmicas siempre producen menos gases de efecto invernadero que los aires acondicionados, las calderas de gasóleo y la calefacción eléctrica, pero las calderas de gas natural pueden ser competitivas dependiendo de la intensidad de emisiones de gases de efecto invernadero del suministro eléctrico local. En países como Canadá y Rusia, con infraestructuras eléctricas de bajas emisiones, una bomba de calor residencial puede ahorrar 5 toneladas de dióxido de carbono al año en comparación con una caldera de gasóleo, lo que equivale aproximadamente a retirar un coche de pasajeros promedio de la circulación. Sin embargo, en ciudades como Pekín o Pittsburgh, que dependen en gran medida del carbón para la producción de electricidad, una bomba de calor puede generar entre 1 y 2 toneladas más de emisiones de dióxido de carbono que una caldera de gas natural. Para las zonas sin acceso a la red 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 gabinete de la bomba de calor y en circuitos de intercambio directo era, hasta hace poco, clorodifluorometano , que es una sustancia que agota la capa de ozono. ^{[ 26 ]} Aunque inofensivo mientras está contenido, las fugas y la eliminación inadecuada al final de su vida útil contribuyen a ampliar el agujero de la capa de ozono . Para las nuevas construcciones, este refrigerante se está eliminando gradualmente en favor del R410A , un gas de efecto invernadero potente pero respetuoso con la capa de ozono . Los sistemas de circuito abierto (es decir, aquellos que extraen agua subterránea en contraposición a los sistemas de circuito cerrado que utilizan un intercambiador de calor de pozo) deben equilibrarse reinyectando el agua usada. Esto evita el agotamiento del acuífero y la contaminación del suelo o del agua superficial con salmuera u otros compuestos del subsuelo.

Antes de perforar, es necesario comprender la geología subterránea y los perforadores deben estar preparados para sellar el pozo, incluyendo la prevención de la penetración de agua entre los estratos. Un ejemplo lamentable es un proyecto de calefacción geotérmica en Staufen im Breisgau , Alemania, que parece haber causado daños considerables a edificios históricos. En 2008, se informó que el centro de la ciudad se elevó 12 cm (4,7 pulgadas) ^{[ 40 ]} después de haberse hundido inicialmente unos pocos milímetros ^{[ 41 ]} . La perforación alcanzó un acuífero naturalmente presurizado y , a través del pozo, esta agua penetró en una capa de anhidrita, que se expande al humedecerse al formar yeso. La hinchazón cesará cuando la anhidrita haya reaccionado completamente, y la reconstrucción del centro de la ciudad "no es conveniente hasta que cese el levantamiento". Para 2010, el sellado del pozo aún no se había completado. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} Para 2010, algunas secciones de la ciudad se habían elevado 30 cm (12 pulgadas) . ^{[ 45 ]}    

Las bombas de calor geotérmicas 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 altamente variables en el tiempo y en todo el mundo. Según los precios recientes, las bombas de calor geotérmicas 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. ^{[ 39 ]} En general, un propietario puede ahorrar entre un 20 % y un 60 % anual en servicios públicos al cambiar de un sistema convencional a un sistema geotérmico. ^{[ 46 ] [ 47 ]}

Hasta hace poco, los costos de capital y la vida útil del sistema habían recibido mucha menos atención, y el retorno de la inversión es muy variable. El rápido aumento en el precio del sistema ha ido acompañado de rápidas mejoras en la eficiencia y la confiabilidad. Se sabe que los costos de capital se benefician de las economías de escala , particularmente para sistemas de circuito abierto, por lo que resultan más rentables para edificios comerciales grandes y climas más rigurosos. 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, tanto en construcciones nuevas como en edificios existentes. En las rehabilitaciones, el costo de instalación se ve afectado por el tamaño de la superficie habitable, la antigüedad de la vivienda, las características del aislamiento, la geología de la zona y la ubicación de la propiedad. El diseño adecuado del sistema de conductos y el intercambio mecánico de aire deben considerarse en el costo inicial del sistema.

Los costos de capital pueden compensarse con subsidios gubernamentales; por ejemplo, Ontario ofreció $7000 para sistemas residenciales instalados en el año fiscal 2009. Algunas compañías eléctricas ofrecen tarifas especiales a los clientes que instalan una bomba de calor geotérmica para la calefacción o refrigeración de sus edificios. ^{[ 48 ]} Cuando las centrales eléctricas tienen mayores cargas durante los meses de verano y capacidad ociosa en 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 su mayor eficiencia, evitando así la costosa construcción de nuevas centrales eléctricas. Por las mismas razones, otras compañías de servicios públicos han comenzado a pagar la instalación de bombas de calor geotérmicas en las residencias de los clientes. Arriendan los sistemas a sus clientes por una tarifa mensual, lo que representa un ahorro neto general para el cliente.

La vida útil del sistema es mayor que la de los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración. Aún no se dispone de datos precisos sobre la vida útil del sistema debido a que la tecnología es muy reciente, pero muchos sistemas antiguos siguen funcionando hoy en día después de 25 a 30 años con un mantenimiento rutinario. 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. ^{[ 46 ] [ 49 ]} Las bombas de calor geotérmicas utilizan electricidad para calentar la casa. La mayor inversión con respecto a los sistemas convencionales de petróleo, propano o electricidad puede recuperarse en ahorros de energía en 2 a 10 años para sistemas residenciales en los EE. UU. ^{[ 50 ] [ 47 ] [ 49 ]} El período de recuperación de la inversión para sistemas comerciales más grandes en los EE. UU. es de 1 a 5 años, incluso en comparación con el gas natural. ^{[ 47 ]} Además, debido a que las bombas de calor geotérmicas generalmente no tienen compresores exteriores ni torres de refrigeración, el riesgo de vandalismo se reduce o elimina, lo que potencialmente extiende la vida útil de un sistema. ^{[ 51 ]}

Las bombas de calor geotérmicas se reconocen como uno de los sistemas de calefacción y refrigeración más eficientes del mercado. Suelen ser la segunda solución más rentable en climas extremos (después de la cogeneración ), a pesar de la reducción de la eficiencia térmica debida a la temperatura del suelo. (El suelo es más cálido en climas que requieren aire acondicionado potente y más frío en climas que requieren calefacción potente). La viabilidad financiera de estos sistemas depende del dimensionamiento adecuado de los intercambiadores de calor geotérmicos (GHE), que generalmente representan la mayor parte de los costes de capital totales de los sistemas de bombas de calor geotérmicas. ^{[ 52 ]}

Históricamente, los costos de mantenimiento de los sistemas comerciales en los EE. UU. han estado entre $0.11 y $0.22 por m² ^por año en dólares de 1996, mucho menos que el promedio de $0.54 por m² ^por año para los sistemas HVAC convencionales. ^{[ 6 ]}

Es probable que los gobiernos que promueven las energías renovables ofrezcan incentivos para los mercados de consumo (residencial) o industriales. Por ejemplo, en Estados Unidos, se ofrecen incentivos tanto a nivel estatal como federal. ^{[ 53 ]}

• Intercambiador de calor acoplado al suelo
• Red de energía térmica
• Refrigeración mediante fuente de agua profunda
• Refrigeración solar térmica
• Calor renovable
• Glosario de calefacción y refrigeración geotérmica
• Código Mecánico Uniforme

• Bombas de calor geotérmicas . Archivado el 1 de abril de 2009 en Wayback Machine ( EERE / USDOE ).
• Cálculo de costos
• Consorcio de bombas de calor geotérmicas
• Asociación Internacional de Bombas de Calor Geotérmicas
• Asociación de Bombas de Calor Geotérmicas (GSHPA)