Energia geotèrmica

Bomba de calor geotèrmica

Bomba de calor geotèrmica

La bomba de calor geotèrmica és un sistema d'aire condicionat per a edificis que explota l' intercanvi de calor amb el subsòl superficial, 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 entalpia es classifica com una font d'energia renovable, encara que la pròpia bomba de calor consumeix electricitat, generalment produïda a partir d'altres fonts d'energia (per exemple, combustibles fòssils).

La bomba de calor permet l' intercanvi de calor entre una "font" a una temperatura més baixa que el "pou", o el punt on s'introdueix la calor. En un sistema de calefacció, l'edifici (més precisament: el circuit dels terminals de calefacció de l'edifici) representa el "pou calent"; viceversa, en un sistema d'aire condicionat, l'edifici és la "font freda" de la qual s'extreu la calor. L'avantatge econòmica i energètica de la bomba de calor ve donada per la relació entre la calor introduït o extret de l'edifici i el consum d'energia (generalment elèctric o calor en una bomba de calor d'absorció), anomenat COP (coeficient de rendiment). Una relació entre 3 i 6 per a bombes de calor geotèrmiques.

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 aerotérmica, la temperatura del sòl a una certa profunditat se sotmet a les variacions anuals molt més petites: una profunditat de 5-10 m la temperatura del sòl és gairebé constant durant tot l'any i és aproximadament equivalent a la temperatura mitjana anual de l'aire, o al voltant de 10-16 ° C. Això vol dir que el sòl, en comparació amb l'aire, és més càlid a l'hivern i més fred a l'estiu, en benefici de l'eficiència de la bomba de calor.

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 de transferència de calor;
  • 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 és, però, 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.

Els costos d'instal·lació de la planta són molt més grans que les solucions convencionals (gas natural o dièsel), però els menors costos de manteniment permeten recuperar una inversió en menys de 10 anys, amb una vida útil de planta d'almenys als 25 anys.

Intercanviador de calor de terra

Sistema geotèrmic horitzontal de circuit tancat

Les bombes de calor geotèrmiques proporcionen (o resten) energia tèrmica calor a l'edifici, intercanviant amb el terra a poca profunditat (1-200 m). Els components del sistema són per tant tres: intercanviador de calor de terra, bomba de calor i terminals de calefacció / refrigeració.

Com es va esmentar anteriorment, els intercanviadors de calor de terra es divideixen en tres categories:

  • Intercanvi directe;
  • Circuit tancat;
  • Circuit obert.

Els intercanviadors poden tenir diferents configuracions, classificades per tipus de fluid i per esquema. En sistemes d'intercanvi directe, el circuit de refrigerant de la bomba de calor està en contacte directe amb el terra; en sistemes de circuit tancat es fa circular un fluid que conté aigua i additius anticongelants; els sistemes de circuit obert operen l'intercanvi de calor a l'aigua subterrània.

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. El nom "intercanvi directe" per tant implica l'absència d'un circuit intermedi (i fluid) entre el terra i la bomba de calor. No obstant això, no hi ha interaccions directes entre el refrigerant i la terra, si no l'intercanvi de calor, i l'aigua no circula en el circuit d'intercanvi amb el terra.

Els sistemes d'intercanvi directe són molt més eficients que els sistemes de circuit tancat. Això és a causa de l'absència d'un circuit intermedi (cada intercanviador de calor, però, implica pèrdues) i alta conductivitat tèrmica dels tubs de coure utilitzat per a l'intercanviador de calor, que d'altra banda són molt més cars en comparació amb els tubs en HDPE utilitzats en sondes geotèrmiques. En comparació amb les sondes geotèrmiques, la longitud requerida és un 70-85% menor i el diàmetre de la canonada és aproximadament la meitat. Es requereix un major control de qualitat en les canonades, ja que el gas refrigerant podria escapar fins i tot d'esquerdes molt petites. El coure ha d'estar protegit contra la corrosió en sòls àcids amb protecció catòdica o amb un ànode sacrificatorio.

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.

El circuit secundari generalment està fet de polietilè d'alta densitat, en el qual es fan servir barreges d'aigua i anticongelant (propilenglicol, etilenglicol, alcohol metílic, metanol o clorur de calci.). L'etilenglicol és barat, però és tòxic fins i tot a baixes concentracions; fins i tot la remota possibilitat de la seva vessament a terra ha portat a moltes autoritats de control a prohibir el seu ús. El propilenglicol ha reemplaçat en molts casos a l'etilenglicol, encara que és més costós i consumeix menys energia. El metanol i l'alcohol desnaturalitzat són inflamables i, per tant, el seu ús és desaconsellable.

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

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, que 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. La perforació es pot dur a terme específicament (sonda geotèrmica vertical) o per a un pal de fonamentació (piles geotèrmiques o piles d'energia).

Les sondes geotèrmiques poden tenir configuració en forma d'U (dos tubs, d'anada i tornada, connectada a la part inferior), doble T o coaxial (dos tubs concèntrics, amb el flux en el tub interior i el retorn en l'anell exterior , o viceversa). Dins el forat, l'espai al voltant de les canonades generalment s'omple amb una beurada geotèrmica, és a dir, un concret preparat amb inerts silicis i alts additius de conductivitat tèrmica.

Les sondes geotèrmiques són àmpliament utilitzades quan no hi ha prou espai per a una planta horitzontal de circuit tancat, o una capa freàtica explotable per a un sistema de circuit obert. En els camps de la sonda, la distància entre les perforacions és d'entre 5 i 10 m. De manera indicativa, les sondes geotèrmiques poden proporcionar una potència entre 40 i 70 W per metre de perforació.

En els pols geotèrmics, però, el circuit hidràulic s'insereix dins d'una pila de fonamentació. D'aquesta manera, és possible limitar els costos d'instal·lació, ja que la perforació no es porta a terme específicament per a les sondes. D'altra banda, l'eficiència de la planta és menor, tant per la menor conductivitat tèrmica dels sòls argilosos en què s'utilitza aquest tipus de fonamentació, com per la presència de llargs tubs de distribució de fluids horitzontals, que impliquen importants pèrdues tèrmiques .

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); Una altra configuració utilitzada de vegades és el bàsquet geotèrmic, o una canonada en espiral de 2-3 m d'alçada, inserida a 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 W / m². De manera indicativa, una casa amb una càrrega màxima de 10 kW requereix tres canonades DN20 o DN 32 de 120-180 m de llarg.

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. Una variant del circuit tancat horitzontal són els sistemes instal·lats en petits estanys, que exploten la inèrcia tèrmica de l'aigua.

Bucle obert

En un circuit obert, l'intercanvi de calor es porta a terme amb aigua subterrània o, més rarament, des de cossos d'aigua superficial (rius i llacs). L'aigua extreta pot reintroduir-se a un cos d'aigua superficial, o al mateix aqüífer del que es va extreure, mitjançant el drenatge de rases o pous. Els dos pous (retirada i reintroducció) ha d'estar instal·lat a una distància suficient, a fi d'evitar tèrmica curtcircuits, que ocorre quan l'aigua alterat tèrmicament torni a entrar al pou (núvol tèrmica) arriba al eix de recollida.

L'avantatge, en comparació amb els sistemes de circuit tancat, és:

Una major eficiència de la bomba de calor: l'aigua extreta, de fet, no es veu afectada per l'intercanvi de calor (en comparació amb el sòl al voltant d'una sonda, en la qual es forma un gradient tèrmic), fins que es pren la tèrmica curtcircuits; especialment per a sistemes d'alta potència, menors costos d'instal·lació i 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. Per aquesta raó, no es recomana la instal·lació de sistemes geotèrmics de circuit obert en presència d'alts continguts de sals dissoltes.

Columna de peu ben

El pou de la columna de peu és un sistema de circuit obert particular, en el qual s'usa el mateix pou per a l'extracció i la reentrada. De fet, l'aigua es pren del fons del pou i, després de l'intercanvi d'energia tèrmica calor amb la bomba de calor, torna a la part superior del pou. Després, descendint cap al fons del pou, l'aigua intercanvia calor amb la roca circumdant.

Bomba de calor i terminals d'aire condicionat

La bomba de calor és la unitat central de sistemes geotèrmics de baixa entalpia. Amb la mateixa màquina és possible escalfar i refredar l'edifici, produir aigua calenta sanitària i bobines d'alimentació per fondre gel i neu (per exemple, per rampes de garatge).

El transport de calor dins de l'edifici es pot fer per aire o líquid. Els terminals d'aire condicionat més adequats per a les bombes de calor geotèrmiques són els panells radiants, ja que treballen a temperatures més baixes en calefacció i major en refrigeració, garantint així una major eficiència de la bomba de calor. Encara es pot utilitzar el fan coil: però, ha de tenir en compte el fet que, tenint en compte les temperatures del fluid de menor importància aconseguits per la bomba de calor, en el cas de reequipament d'una planta existent, cal augmentar el cabal de fluid i per tant la secció dels tubs de distribució.

Underground / Aquifer Thermal Energy Storage

En climes freds, on el consum d'energia per a la calefacció és molt més alt que el de l'aire condicionat, el balanç d'energia del sòl pot ser inadequat, el que porta al seu refredament progressiu, amb la conseqüent reducció de l'eficiència de la bomba de calor.

Una forma de remeiar aquest problema és l'emmagatzematge de calor al subsòl, utilitzant per a això panells solars tèrmics que reben calor del sol i, sense l'ajuda de la bomba de calor, introdueixen calor al subsòl, elevant la temperatura. D'aquesta manera, durant l'hivern, la bomba de calor funcionarà amb una major eficiència. Aquesta solució es diu Emmagatzematge subterrani d'energia tèrmica (UTES) o, en el cas de sistemes de circuit obert, Emmagatzematge d'energia tèrmica de l'aqüífer (ATES).

Eficiència energètica

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 energètic primari del sistema de generació d'electricitat a Itàlia és del voltant del 40%: això significa que, per produir 1 kWh d'electricitat, cal consumir 1 / 0.4 = 2.5 kWh tèrmics. Com a resultat, una bomba de calor geotèrmica pot produir de 3 a 6 kWh tèrmics en consumir 2,5 kWh de calor (que, al seu torn, s'utilitzen per produir 1 kWh d'electricitat). El rendiment d'energia primària d'una bomba de calor geotèrmica és, per tant, variable entre 120% i 240%, mentre que les millors calderes de condensació obtenen rendiments del 90%. Una bomba de calor geotèrmica, en comparació amb una caldera de condensació,

El COP de la bomba de calor depèn en gran mesura de les temperatures dels dos termòstats (fluid del circuit d'intercanvi a terra i fluid del sistema d'aire condicionat): com menor és la diferència, més gran és el COP. Com a resultat, els terminals d'aire condicionat que permeten el major rendiment són els panells radiants, que treballen a <29 ° C en calefacció i 16 ° C en el refredament, seguit pel ventilador (45 ° C a la calefacció i 7 ° C en la manera de refrigeració).

Aspectes ambientals

Segons l'Agència de Protecció Ambiental (EPA) d'EE. UU., Les bombes de calor geotèrmiques són el sistema d'aire condicionat més eficient, menys contaminant i econòmicament viable. Una de les avantatges és sens dubte l'absència d'emissions en el lloc, el que fa que aquestes plantes siguin adequades per a les zones urbanes. Les emissions de gasos d'efecte hivernacle es produeixen, però, en l'etapa de generació d'electricitat, i per tant depenen de la combinació d'energies que adopti cada país. A Suècia, per exemple, la producció d'electricitat només es realitza en un 2% amb combustibles fòssils, de manera que l'ús de bombes de calor geotèrmiques permet reduccions de CO 2emitido al voltant del 65-77%; a Polònia, on el carbó encara s'usa àmpliament en les plantes termoelèctriques, les plantes geotèrmiques causen més emissions que alteren el clima que les calderes de metà o dièsel. A Itàlia, l'estalvi d'emissions en comparació amb els combustibles fòssils és del voltant del 30%. Un altre impacte potencialment significatiu és la fuita del refrigerant de la bomba de calor: tot i que els CFC s'han eliminat causa del seu efecte d'alteració de l'ozó, els fluids utilitzats en el seu lloc (HFC) encara tenen un efecte hivernacle molt alt (GWP), fins i tot més de 1000 vegades la de CO 2. No obstant això, donades les quantitats limitades de refrigerant que conté la bomba de calor, aquest impacte ambiental és marginal en comparació amb la producció de diòxid de carboni. Un impacte ambiental potencial està representat per la fugida del fluid termovector de les sondes geotèrmiques: però, donat les modestes quantitats utilitzades i l'ús de fluids de baixa toxicitat, aquest impacte és gairebé insignificant.

Els sistemes de circuit obert poden causar l'esgotament de l'aqüífer, la contaminació entre diferents aqüífers i, en alguns casos, fins i tot la subsidència.

Aspectes econòmics

Les bombes de calor geotèrmiques es caracteritzen per alts costos d'instal·lació i baixos costos de manteniment. Com a resultat, representen una inversió de mitjà a llarg termini.

En general, els estalvis en els costos de manteniment de la planta varien entre 20 i 60% en comparació amb les plantes de combustibles fòssils tradicionals.

Quant als temps d'amortització, no hi ha molta informació al respecte, però de mitjana són menys de 10 anys i depenen de:

  • Dimensions d'instal·lació: especialment en sistemes de circuit obert, hi ha estalvis substancials en plantes més grans (economies d'escala);
  • Costos d'instal·lació: en els mercats més madurs, com en el nord d'Europa, els costos de perforació i instal·lació (especialment per a sistemes de circuit tancat) són més baixos;
  • Cost de l'electricitat i els combustibles fòssils: el mix energètic per a la producció d'electricitat, la competència entre operadors, els impostos i els impostos indirectes sobre els combustibles determinen les fortes diferències entre un país i un altre;
  • Incentius, desgravació fiscal, préstecs subsidiats.

També les bombes de calor geotèrmiques poden ser instal·lades per la ESCO, companyies que cobren els costos d'instal·lació de mesures d'eficiència energètica, compartint els guanys derivats de l'estalvi d'energia.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 27 de setembre de 2018