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:
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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.
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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:
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Fig.2
– Temperatura del suelo para distintas profundidades en el Reino Unido.
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Fig.3
– Temperatura del suelo para distintas profundidades en Grecia
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Las ventajas de usar la geotermia
solar con las bombas de calor
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.
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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.
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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.
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Fig.6 – Configuración para refrigeración de EHX
de lazo cerrado.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig.9 – Configuración de loop cerrado
horizontal (Método Slinky)
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Fig.10 – Configuración de loop cerrado
vertical
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Fig.11-
Preparación de los caños por el Método
Slinky
de configuración horizontal.
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Fig.12- Caños tendidos antes de tapar la
zanja, en configuración
horizontal
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Fig.13
– Sistema de lago/estanque de loop cerrado
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Sistemas de loop abierto
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Fig.14 – Sistemas de loop abierto
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Referencias
Notas Relacionadas
