Para este tipo de construcciones, los sistemas geotérmicos de baja entalpía están compuestos por una bomba de calor y un sistema de captación (sonda geotérmica) en el subsuelo para el intercambio de energía.
La clave de la eficiencia, reside en el intercambio y aprovechamiento de la energía del subsuelo de manera constante, ya sea para obtener calor o frio; utilizándose de este modo la energía geotérmica para ACS y climatización (calefacción y refrigeración).
La bomba de calor emplea un gas refrigerante que absorbe energía al evaporarse y la cede cuando se condensa. La eficiencia de la bomba de calor, se mide mediante el COP (coeficiente entre el calor que se entrega y la energía consumida por el compresor).
Es nuestro ejemplo, se realizará un sistema geotérmico mediante pozos verticales debido principalmente a problemas de espacio que impiden adoptar otro sistema.
En primer lugar, para el dimensionamiento del sistema geotérmico, es necesario conocer las necesidades energéticas del edificio (cargas térmicas). Lo ideal, es modelizar el «problema» con algún software de cálculo de cargas térmicas, en caso contrario, se puede hacer una estimación (por ejemplo 100-150 W/m² en calefacción y 150-200 W/m² en refrigeración).
Para nuestra vivienda unifamiliar de 218 m² de superficie total, tenemos:
planta baja = 10.000 W
planta superior = 9.000 W
Además se estiman 3.000W para cubrir las necesidades de ACS.
En total la vivienda requerirá una instalación con una potencia de 22.000W
Como valor «estandar», adoptamos un COP = 4 de término medio. Este valor depende del fabricante de la bomba de calor, que por lo general, suele ser muy optimista.
El evaporador por tanto, requerirá una potencia de 22000 * (4-1) / 4 = 16.500 W.
La longitud de la sonda, vendrá dada por la relación entre la potencia del evaporador y la potencia extraída (que dependerá de la geología del subsuelo).
En nuestro caso, dado que se conoce la geología regional y los valores térmicos del subsuelo por bibliografía reconocida, no es necesario realizar un ensayo de respuesta geotérmica, y se estima un valor de potencia de extracción medio de 60 W/m.
La longitud total, será entonces 16.500/ 60 = 275 m, para lo que se realizarán 4 sondas (perforaciones) de 70 m. Teniendo en cuenta que, cuanto mas profundo mejor dado que la «estabilidad térmica» es mas constante para el mejor rendimiento del sistema.
El tipo de sonda dependerá del uso, presión de funcionamiento, vida útil, temperatura del fluído, … y por supuesto, el precio. Siendo las de polietileno reticulado las de mejor resultado para este tipo de instalaciones, eligiéndose la PE-Xa de 10 bar y 50ºC (vida útil 100 años).
En cuanto a la bomba de calor, se elige una de potencia nominal 16,7 kW y conexión a 230V monofásico. La potencia eléctrica nominal consumida es de 25A.
Para la refrigeración, dado que la zona climática donde está situada la vivienda se puede considerar como templada con unas oscilaciones térmicas no muy acusadas. Por ello, las necesidades se cubren mediante el aprovechamiento del frio pásivo proporcionado por la instalación geotérmica, es decir, el subsuelo será la fuente del frio donde se introducirá la temperatura exterior para realizar el intercambio. Mediante este sistema, no será necesario el uso del compresor de la bomba de calor y para refrescar la vivienda se usará el suelo radiante.
El único inconveniente de este sistema, sería el uso simultáneo de ACS y frio pasivo. Para resolver este problema, los fabricantes de bombas de calor, disponen de sistemas que permiten regular el uso del compresor y poder usar simultáneamente los intercambiadores de placas (para el frio pasivo, intercambio calor-frio) con el agua caliente de manera automática y ajena al usuario.
Destacar que si se requieren temperaturas de refrigeración mas bajas, se debería usar el frio activo y fancoils. En este sistema, la bomba de calor invierte su funcionamiento, enfriando en vez de calentar, aunque siempre se dará prioridad al ACS.
El uso de la energía geotérmica (renovable y limpia) se justifica por si sola por su ahorro energético, económico y ambiental.
Sin embargo, para poder estimar su viabilidad, hay que realizar un es estudio completo y de detalle con toda la información disponible.
En nuestro ejemplo, la bomba de calor tiene un consumo nominal de 25A (16,7 kw) y un COP según fabricante de 5. Estimando un uso total de 3000 horas anuales (recordemos que la refrigeración se produce por frio pasivo) tenemos un gasto total de 16,7kW/5 * 3000h * 0,13€/kWh = 1.300€ año.
Es decir, con 1.300€/año, se tienen cubiertas las necesidades de calefacción, refrigeración y ACS de nuestra vivienda unifamiliar.
Para la misma vivienda se estima un gasto anual de calefacción y ACS de:
Radiadores eléctricos = 3.200€ / año
Caldera de propano = 4.400€ / año
Caldera de gasóleo = 5.800 € / año.
En cuanto al CO2, en España, se estima 0,27 TCO2/MWh electricidad. Por lo tanto, el consumo de la bomba de calor, tendrá unas emisiones de (0,27 * 10MWh) 2,7 T CO2 al año.
Para la misma vivienda, se estima:
Caldera de propano = 4,6 T CO2 / año
Caldera de gasóleo = 5,2 T CO2 / año.
Ahorro:
En un periodo de 15 años, la bomba de calor, ahorra:
frente a los radiadores eléctricos = 27.000€
frente a la caldera de propano = 46.500 €
frente a la caldera de gasóleo = 67.500 €
(sin tener en cuenta el gasto energético complementario para la refrigeración que estos sistemas requieren pero que el sistema geotérmico aporta gratuítamente).
Amortización:
Es difícil hablar de periodos de amortización dados los costos variables en base a las materias primas necesarias para la producción energética de los diferentes sistemas. Igualmente, habría que considerar las ayudas estatales para la instalación de uno u otro sistema. Sin embargo, si consideramos precios estables (gas, electricidad, gasóleo) y sin ayudas estatales, la amortización de la energía geotérmica para el edificio del ejemplo se estima en 5 años.
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