Electrónica, Electricidad y Telecomunicaciones: GEOTERMIA SOLAR

La Tierra guarda una enorme cantidad de energía en el subsuelo inmediato que poco o nada tiene que ver con los procesos internos del planeta. A pocos metros por debajo de la superficie, la temperatura es constante durante todo el año, debido principalmente a la energía recibida del sol.

En efecto, la geotermia solar trata sobre el aprovechamiento del calentamiento de la tierra por los rayos del sol a bajas profundidades. La otra geotermia, la que aprovecha el calor que proviene del centro de la esfera terrestre y se encuentra cerca de los volcanes, produce temperaturas mucho más altas y se aprovecha para accionar turbinas a vapor y generar energía eléctrica en las centrales eléctricas geotérmicas. Para aprovecharla es necesario hacer pozos de miles de metros de profundidad. La geotermia solar, en cambio, produce temperaturas mucho más bajas y se usa para climatizar los edificios y casas y se encuentra disponible en casi todo el planeta, a poca profundidad, aunque no haya volcanes en las cercanías.

Utilización de la geotermia solar

Para aprovechar esta energía se usan las bombas de calor geotérmicas, en inglés Geothermal heat pumps (GHP) y también los intercambiadores de calor tierra-aire, en inglés Earth to-air Heat exchanger (EHX), que aprovechan la energía almacenada bajo tierra.

Datos de 3 países

El Departamento de Energía de los EEU (U.S Departament of Energy), dice refiriéndose a EEUU:

“Aunque muchas partes del país experimentan temperaturas ambientes estacionales extremas, desde abrasadores calores extremos en el verano, hasta frios de temperaturas bajo cero en el invierno, a unos pocos pies (1 pie= 0,3048 metros) debajo de la superficie, la tierra permanece a una temperatura relativamente constante. Dependiendo de la latitud, la temperatura de la tierra se encuentra entre 7ºC y 21ºC. Como en una cueva, esta temperatura de la tierra es mayor que la del aire sobre ella durante el invierno y menor en el verano. La bomba de calor geotérmica toma ventaja de esto, intercambiando calor con la tierra por medio de un intercambiador de calor con tierra.”

En el caso de España, dice el Geólogo Consultor Joan Escuer, “a una profundidad superior a los 5 metros, la temperatura del suelo, independientemente de la estación del año o las condiciones meteorológicas, es de alrededor de 15 ºC con pequeñas variaciones.”

En Argentina, en un trabajo conjunto, realizado en la Provincia de Buenos Aires, por investigadores de la (UNSAM) Universidad de San Martín, el INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial) y el ENARGAS (Ente Nacional Regulador del Gas), llegaron al siguiente resultado: “A unos pocos metros debajo de la superficie, la temperatura del suelo es muy estable todo el año y muy próxima a unos 17± 2 ºC. Esta temperatura es muy cercana a la temperatura de confort (21ºC en invierno y 25ºC en verano). Con sistemas muy simples, es posible aprovechar este reservorio térmico para construir un acondicionador de aire natural, que reduce el uso de energía y las emisiones de gases de efecto de invernadero, generando ambientes confortables térmicamente tanto en invierno (calefacción) como en verano (refrigeración)." Además, en su informe, nos muestran las curvas de la Fig.1:

Fig.1 - Temperatura del suelo para distintas profundidades, en las adyacencias de la ciudad de Buenos Aires, para el mes de julio (invierno - curva rosa) y el mes de enero (verano - curva verde). La línea de puntos azul indica la profundidad donde las temperaturas estables son mínimas en verano y máximas en invierno.

En la Fig.2, se puede ver el mismo gráfico para 4 meses en el Reino Unido y en la Fig 3 para los 12 meses en Grecia:

Fig.2 – Temperatura del suelo para distintas profundidades en el Reino Unido.

Fig.3 – Temperatura del suelo para distintas profundidades en Grecia

Las ventajas de usar la geotermia solar con las bombas de calor

Cuando publicamos la nota BOMBA DE CALOR – Principio de funcionamiento. , mostramos la siguente curva: (Fig.4)

Fig.4 - Variación del COP en función de (Tcond – Tevap). Fuente: http://www.industrialheatpumps.nl/en/how_it_works/cop_heat_pump/

Esta curva nos indica que el COP de la bomba de calor es mayor cuanto menor sea la diferencia entre las temperaturas del condensador y del evaporador, o sea entre la temperatura del medio exterior del que extraemos calor y la temperatura interior elegida por el usuario. Cuando la temperatura exterior es la del aire exterior, la diferencia entre Tcond y Tevap, puede ser muy grande, ya que el aire exterior puede tener temperaturas muy alejadas de la deseable, o temperatura de confort (21ºC en invierno y 25ºC en verano). Para el caso del EER o IEE para refrigeración se tienen curvas similares a la de la Fig.2, en función de Tcond – Tevap.

Cuando se usa el subsuelo para intercambiar calor, ya sea para que el condensador le entregue calor (refrigeración), o para que el evaporador lo tome de él (calefacción), se tienen dos ventajas: por un lado la eficiencia de la bomba de calor es más alta y por otro lado es constante para temperaturas de confort elegidas siempre iguales por el usuario.

El COP de una bomba de calor geotérmica es de 4 a 6, superando al de las bombas de calor más eficientes aire-aire, estimado entre 2 y 3.

Funcionamiento del intercambiador de calor tierra – aire (EHX)

En la Fig.5 se muestra el principio de un intercambiadores de calor tierra-aire, en inglés Earth to-air Heat exchanger (EHX), que aprovecha la energía almacenada bajo tierra y le tranfiere calor al aire que ingresa al caño enterrado desde el exterior, succionado por el extractor (aumentando su temperatura), enviándolo al interior de la casa como aire pre - acondicionado. El esquema mostrado corresponde a un caso de calefacción de lazo abierto, porque solo se encuentra un extremo del caño en el interior de la casa.

Fig.5 – Calefacción geotérmica de lazo abierto. El caño enterrado se ha dibujado recto, pero normalmente se le hace dar muchas vueltas para que ocupe menos lugar y necesitar menos terreno disponible para este fin.

En la Fig.6 se muestra un sistema de refrigeración basado en el mismo principio, pero de lazo cerrado, porque los dos extremos del caño se encuentran dentro de la casa. En este caso ingresa aire caliente del exterior por una ventana de un area de servicio no refrigerada y luego ese aire caliente ingresa a los caños enterrados, succionado por el extractor, entregando calor a la tierra y luego el aire frío ingresa a la habitación.

Fig.6 – Configuración para refrigeración de EHX de lazo cerrado.

En Argentina, el equipo de investigadores de la UNSAM, del INTI y del ENARGAS, mencionado anteriormente, estudió durante un año, (marzo de 2012 / marzo de 2013), el comportamiento de una instalación experimental de acondicionamiento geotérmico con EHX en una casa en la localidad de Tortuguitas, en los suburbios de Buenos Aires. Dicha instalación tenía el propósito de mejorar la temperatura del aire de la casa, para lo cual se hizo ingresar en ella aire, circulado prevamente por un caño de policloruro de vinilo (PVC), de 20cm de diámetro y 75m de longitud, enterrado a 2m de profundidad. El aire circulaba a una velocidad de unos 5m/s, es decir, tardaba unos 15 segundos en recorrer el tubo.

La medición diaria de la temperatura a la entrada y a la salida del caño arrojó el resultado que muestra la figura 7, donde se observa que la temperatura de salida del caño y de ingreso a la casa se mantuvo entre los 15ºC y los 25ºC., las que son temperaturas próximas a las temperaturas de confort, a pesar de haber sido reducida (2m) la profundidad de enterramiento del caño.

Fig.7 - Temperatura del aire exterior a la entrada del caño (curva roja) y temperatura a la salida del mismo (curva azul). Los registros térmicos se obtuvieron en forma horaria a lo largo de 365 días durante un año desde el 16 de marzo de 2012. Se observa que la temperatura de salida del tubo oscila entre 15ºC y 25ºC.

Es más común encontrar a estos intercambiadores de calor tierra - aire asociados a bombas de calor aire- aire, que encontrarlos solos. La unidad exterior de las bombas de calor aire – aire usan así como aire exterior, el aire preacondicionado de salida de los caños enterrados, achicándose la diferencia Tcond – Tvap y aumentando notablemente el rendimiento de la bomba de calor.

Las bombas de calor geotérmicas

En la Fig.8, se muestra un esquema de una bomba de calor funcionando en modo calefacción. Aquí el condensador y el evaporador, representados con un rectángulo, son similares a los vistos con la explicación general del principio de funcionamiento de la bomba de calor. La diferencia es que ambos han sido asociados a dos intercambiadores de calor. El intercambiador de calor que envuelve al condensador y que se usa para calentar el piso de la habitación, sería reemplazado por un ventilador si se optara por calefacción con aire caliente.

El intercambiador de calor que envuelve al evaporador, le transfiere el calor que “robó” de la tierra mediante un líquido anticongelante que se usa para ese fin. El caño que va bajo tierra, llamado loop, o lazo, normalmente es de plástico y puede presentar varias configuraciones. En el esquema de la Fig.8, estaríamos en un caso de lazo o loop cerrado, porque los dos extremos del caño enterrado están dentro de la casa.

Fig.8 – Bomba de calor funcionando en el modo calefacción. El condensador, mediante un intercambiador de calor, calienta el agua que circula por la cañería bajo piso, llamada losa radiante en Argentina. Un segundo intercambiador de calor entrega calor a evaporador del líquido anticongelante que transporta el calor recibido de la tierra, por el 3er intercambiador de calor constituído por el caño enterrado y la tierra. Observese la presencia de dos bombas que hacen circular los líquidos por los intercambiadores de calor.

Sistemas de loop cerrados

En la mayoría de las bombas de calor geotérmica de loop cerrado, circula una solución anticongelante a través de un loop cerrado (usualmente hecho de un caño de plástico) que es enterrado en la tierra o sumergido en agua. Un intercambiador de calor transfiere calor entre el refrigerante en la bomba de calor y la solución anticongelante del loop cerrado.

El loop puede estar en configuración horizontal, vertical o estanque/lago.

Una variante de este esquema, llamado de intercambio directo, no usa un intercambiador de calor y en su lugar bombea el refrigerante a través de caños de cobre enterrados en la tierra, en configuración horizontal o vertical.

Los sistemas de intercambio directo requieren un compresor más grande y trabajan mejor en suelos húmedos (algunas veces requieren irrigación para mantener el suelo húmedo), pero se debería evitar instalarlos en suelo corrosivo para los caños de cobre. A causa de que por estos sistemas circula refrigerante a través de la tierra, las regulaciones medioambientales locales pueden prohibir su uso en algunos lugares.