La bomba de calor geotèrmica és un sistema d'aire condicionat i sistema de calefacció per a edificis que explota l'intercanvi de calor amb el subsòl superficial. En aquest cas, l'intercanvi es realitza per mitjà d'una bomba de calor.
Atès que la calor al subsòl prové en gran part de l'interior de la Terra, l'energia geotèrmica de baixa temperatura es classifica com una font d'energia renovable.
La bomba de calor permet l'intercanvi de calor entre una font freda a una font calenta. En un sistema de calefacció, l'edifici representa el focus calent. En un sistema d'aire condicionat, l'edifici és la font freda de la qual s'extreu la calor.
Segons la segona llei de la termodinàmica la calor només es transfereix d'un focus calent a un focus fred. Per aquesta raó es requereix subministrar una feina, energia. És a dir, les bombes de calor requereixen una font externa d'electricitat.
El sòl representa per a la bomba de calor una "font" (quan funciona en calefacció) o un "pou" (en mode refrigeració) de calor.
En comparació amb l'aire atmosfèric (que és la font de bombes de calor aerotèrmiques), la temperatura de terra a una certa profunditat se sotmet a variacions anuals molt més petites. En una profunditat de 5-10 m la temperatura és estable, gairebé tot l'any es manté constant.
Hi bombes de calor geotèrmica que incorporen un acumulador per a la producció d'aigua calenta sanitària.
La temperatura a aquesta profunditat és aproximadament equivalent a la temperatura mitjana anual de l'aire exterior.
Com es realitza l'intercanvi tèrmic d'una bomba geotèrmica?
L'intercanvi de calor amb el subsòl pot tenir lloc de tres maneres:
-
Intercanvi directe, on el circuit d'evaporador / condensador de la bomba de calor està en contacte directe amb el subsòl.
-
Sistemes de circuit tancat, on la bomba de calor realitza l'intercanvi de calor amb el terra indirectament, per mitjà d'un circuit hidràulic en el qual flueix un fluid refrigerant.
-
Sistemes de circuit obert, en els quals es pren aigua subterrània en la qual es duu a terme l'intercanvi de calor.
En climes freds, l'edifici on la càrrega de calor està desequilibrada a favor de la calefacció, el sòl podria refredar causa de l'eliminació de calor. No obstant això, és possible acoblar la bomba de calor geotèrmica per a una instal·lació de panells solars tèrmics i emmagatzemar a terra calor acumulada a l'estiu.
intercanvi directe
A la bomba de calor geotèrmica d'intercanvi directe, l'intercanvi de calor té lloc amb el terra. El refrigerant que surt de la bomba de calor, circula en una canonada inserida en contacte directe amb el terra, intercanvia calor amb ella i torna a la bomba de calor.
Aquests sistemes són molt més eficients que els sistemes de circuit tancat. Això és a causa de l'absència d'un circuit intermedi i alta conductivitat tèrmica dels tubs de coure utilitzat.
circuit tancat
La majoria dels sistemes geotèrmics de baixa entalpia es componen de tres circuits:
-
circuit d'aire condicionat;
-
circuit primari de la bomba de calor;
-
circuit secundari d'intercanvi de calor amb el terra.
La bomba de circulació pot ser externa o estar inclosa dins de la bomba de calor. En el circuit secundari també hi ha tancs d'expansió i vàlvules de seguretat per a control de pressió
Hi bombes de calor geotèrmica que incorporen el circuit frigorífic a la unitat interior.
El circuit tancat es pot instal·lar horitzontalment a una profunditat de 1-3 m, o verticalment en un orifici especialment dissenyat (sondes geotèrmiques) o en un pal de fonamentació (piles geotèrmiques).
Circuit tancat vertical
Un circuit tancat vertical consta de dues o més tubs instal·lats verticalment a terra. Aquests tubs formen un circuit tancat en el qual flueix el fluid de transferència d'energia calorífica. La longitud de la perforació pot ser d'entre 20 i 200 m.
Les sondes geotèrmiques són àmpliament utilitzades quan no hi ha prou espai per a una planta horitzontal de circuit tancat.
En els camps de la sonda, la distància entre les perforacions és d'entre 5 i 10 m. Les sondes geotèrmiques poden proporcionar una potència entre 40 i 70 W per metre de perforació.
Circuit tancat horitzontal
El circuit tancat pot col·locar horitzontalment en una rasa, col·locada a profunditats majors a aquelles a les que pot ocórrer la congelació del terreny.
El tub pot ser lineal o espiral (bobines de terra). La potència intercanviable depèn de la longitud de la canonada i de l'àrea ocupada: aproximadament, la potència intercanviada amb el terra és de 15-40 watts / m².
Els tubs s'instal·len a una profunditat de 1-3 m: com més gran és la profunditat d'instal·lació, més gran és la inèrcia tèrmica i millor és l'eficiència de la bomba de calor.
En comparació amb les sondes geotèrmiques verticals, l'eficiència de la bomba de calor és menor, però els menors costos d'instal·lació fan que aquesta solució sigui competitiva.
Bomba geotèrmica de circuit obert
En aquest tipus d'instal·lació, l'intercanvi de calor es porta a terme amb aigua subterrània o, més rarament, des de rius i llacs. L'aigua extreta pot tornar a introduir-se en un cos d'aigua superficial, o al mateix aqüífer de què es va extreure.
L'avantatge, en comparació amb els sistemes de circuit tancat, és:
-
Una major eficiència energètica de la bomba de calor geotèrmica.
-
Menors costos d'instal·lació
-
Menys espais ocupats, en comparació amb els sistemes de sondes geotèrmiques i fins i tot més que els sistemes horitzontals de circuit tancat.
El principal desavantatge d'aquestes plantes és el risc d'esquerdes i incrustacions, que escurcen la vida útil de la planta.
Quina és l'eficiència energètica d'una bomba de calor geotèrmica?
Per estudiar l'eficiència energètica d'una bomba de calor geotèrmica s'utilitza el concepte COP. El COP és el coeficient de rendiment d'un refrigerador. Aquest es defineix com la calor extreta del ipòsit fred Q dividit pel treball W fet per eliminar la calor.
El COP d'una bomba de calor geotèrmica varia entre 3 i 6: això vol dir que per cada kWh d'electricitat consumida, es produeixen 3-6 kWh tèrmics.
El rendiment d'energia primària d'una bomba de calor geotèrmica és, per tant, variable entre 120% i 240%. D'altra banda, les millors calderes de condensació obtenen rendiments de l'90%.
El COP de la bomba de calor depèn en gran mesura de les temperatures dels dos termòstats: com menor és la diferència, més gran és el COP.