Una de las energías renovables con más auge en estos últimos años, ha sido la geotermia (calor de la tierra). A pesar de que la energía geotérmica ha sido utilizada desde hace siglos, es una gran desconocida, pero no por ello está carente de un gran potencial. En este artículo, explicaremos en qué consiste la energía geotérmica, cómo funciona, cuáles son sus aplicaciones y qué ahorros energéticos podemos conseguir, utilizando ésta tecnología.

¿Qué es la Energía Geotérmica?

A diferencia de la mayoría de las energías renovables, la energía geotérmica no tiene su origen principal en la radiación del sol, sino en la diferencia de temperaturas que existe entre el interior de la tierra y su superficie.

Por lo tanto, podemos definir la energía geotérmica como aquella energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie de la tierra. Engloba el calor almacenado en suelos, rocas, aguas subterráneas cualquiera que sea su temperatura , profundidad y procedencia.

De esta forma, sabemos, que en mayor o menor medida, se encuentra almacenada bajo nuestros pies una energía que podemos y debemos aprovechar.

¿Cómo Aprovechamos la Energía Geotérmica de Muy Baja Entalpía?

 

 

 

Si nos fijamos en el gráfico, para diferentes épocas del año, la temperatura del terreno tiende a ser constante (10ºC) a 10 metros de profundidad.

 

El color Azul corresponde al invierno (0ºC exteriores), y a medida que profundizamos la temperatura va aumentando, hasta alcanzar un valor de 10ºC.

 

El color Rojo corresponde a la época de verano (20ºC exteriores), donde ocurre lo contrario. A medida que profundizamos, la temperatura desciende hasta alcanzar un valor de 10ºC.

Por debajo de 20 metros, la temperatura aumenta a razón de unos 3ºC por cada 100 metros de profundidad, debido al gradiente geotérmico. Es decir, que a medida que se profundiza, mayor importancia adquiere la energía procedente del interior de la tierra y menos la procedente del sol. No obstante, en las primeras decenas de metros, el sol es una auténtica fuente de energía, que no solo calienta la corteza terrestre, sino que calienta toda la atmósfera, y por consiguiente el agua de lluvia que se convierte en un aporte extra de energía al terreno.

Esta energía disponible, la podemos aprovechar intercambiándola con un fluido caloportador.

¿Cómo Captamos la Energía Geotérmica?

Hemos visto hasta ahora,  que disponemos de una fuente inagotable de energía durante todas las épocas del año. Para aprovechar esa energía, necesitamos sistemas que nos permitan captarla o cederla como consecuencia del salto térmico entre el terreno y el fluido caloportador. También, es posible extraer las aguas subterráneas y aprovechar su temperatura. Veamos los sistemas de captación de la energía geotérmica:

Captación Horizontal Enterrada

Consiste en la instalación de una serie de tuberías de polietileno, denominadas colectores horizontales, por las que circula agua con glicol (anticongelante). Se necesita que la parcela disponga de una superficie amplia para poder realizar el tendido del circuito a poca profundidad

En este sistema, debido a la escasa profundidad a la que se entierran las tuberías (0,6 a 1,5 m), el clima tiene especial influencia. El terreno sirve de acumulador de la energía del sol, aportando la energía geotérmica un papel secundario

 

Captación Vertical con Sondas Geotérmicas

En el caso de que la superficie disponible no sea suficiente para ejecutar el sistema anterior, si existen canalizaciones en el subsuelo, o si la demanda energética es alta, se utiliza el sistema de sondas geotérmicas (colectores decalor) en posición vertical en el interior de una o varias perforaciones, con profundidades que pueden oscilar entre los 25 a 150 metros, y diámetros de perforación de tan solo 10 o 15 cm.

Tiene la ventaja de que ocupa poco espacio y proporciona una gran estabilidad de las temperaturas

Captación Vertical con Sondas Geotérmicas en Pilotes

Cuando por razones de cimentación y de poca resistencia del terreno, se necesita disponer de pilotes, se aprovechan dichos elementos para la captación de la energía geotérmica integrando las sondas en las armaduras. Se denominan pilotes energéticos.

Tiene la ventaja de que aprovechamos unos elementos necesarios en la construcción de la edificación, con lo cuál, no es necesario realizar sondeos exclusivos para su instalación

Captación de Lagos o Ríos

Es el sistema más económico, ya que no se necesitan realizar pozos ni excavaciones. Consiste en aprovechar ríos o lagos que dispongan de aguas termales a una temperatura adecuada, introduciendo directamente los captadores, realizando el intercambio térmico con el agua y no con el terreno.

Los sistemas anteriores corresponden a circuitos cerrados, en los que el fluido caloportador que circula por las tuberías no está en contacto con  el terreno, ni con el agua, realizándose un intercambio térmico entre los mismos. Debe existir una bomba hidráulica en superficie que ha de vencer la pérdida de carga del circuito.

 

Existe un sistema abierto, que consiste en la captación de aguas subterráneas. Para ello se extrae agua hasta la  bomba de calor  y se devuelve a otro punto del subsuelo en otra perforación diferente. La bomba hidráulica deberá disponer de una potencia elevada, al tener que asegurar un caudal suficiente para el correcto funcionamiento de la instalación, con lo que la eficiencia del sistema puede ser inferior a los sistemas descritos anteriormente, debido al elevado consumo eléctrico de la bomba.

 

 

¿Cómo Aprovechamos la Energía Geotérmica?

En los apartados anteriores, hemos explicado en qué consiste la energía geotérmica y cómo la captamos. Pero falta por desarrollar la parte que más nos interesa a la hora del funcionamiento de una instalación geotérmica de baja temperatura y sus aplicaciones. ¿Cómo aprovechamos esa energía?.

Para ello, necesitamos un equipo que nos permita absorber la energía captada del  foco caliente y cederla al foco frío para su aprovechamiento en calefacción, agua caliente sanitaria y/o climatización. Ese equipo se denomina bomba de calor geotérmica.

 

 

En nuestro artículo sobre la bomba de calor inverter, explicamos extensamente cómo funciona una bomba de calor. Recordando brevemente, es un equipo térmico que utiliza el ciclo frigorífico de un refrigerante para, mediante un circuito cerrado, absorber calor de un foco caliente (sea aire o agua) y cederlo a un foco frío.

 

En una bomba de calor aire-aire se absorbe energía del aire exterior, cediéndolo al ambiente interior. Es el caso de funcionamiento de los sistemas de VRV o bombas de calor inverter en funcionamiento de invierno. Estos equipos disponen de rendimientos muy buenos, y son ampliamente utilizados, pero reducen su rendimiento (COP y EER) en función de las condiciones ambientales exteriores.

De igual forma sucede con las bombas de calor aerotérmicas (aire-agua), que aunque también disponen de rendimientos altos, dependen de las condiciones climatológicas exteriores para ser más o menos eficientes.

Entonces, ¿Qué Ventaja Tienen las Bombas de Calor Geotérmicas Respecto de las Anteriores?. Pues, si se ha comprendido todo lo comentado hasta ahora, nos daremos cuenta de que al disponer de una temperatura constante durante todo el año (la del terreno), el rendimiento de la bomba de calor geotérmica no depende de las condiciones exteriores, ya que está absorbiendo o cediendo energía siempre a la misma temperatura.

 

 

Por lo tanto, la conclusión es que la bomba de calor geotérmica agua-agua es uno de los equipos de transferencia térmica  más eficientes del mercado. Únicamente, tendremos el cosnumo de la bomba de circulador del fluido caloportador (agua con anticongelante) y el compresor. Estos equipos han experimentado, en los últimos años, una gran evolución, obteniéndose COP de hasta 5 y EER  de 3,5, por lo que su rendimiento estacional puede variar entre 300% – 500%

 

Estaríamos hablando, por lo tanto, de  equipos de clase de eficiencia A

 

 

 

 

¿Qué Aplicaciones tiene la Energía Geotérmica?

Las aplicaciones de la energía geotérmica son las siguientes:

• Calefacción de pequeña y mediana potencia
• Agua Caliente Sanitaria
• Piscinas
• Suelo refrescante: en verano, se puede invertir el ciclo, absorbiendo calor del interior del edificio y cediéndolo al subsuelo o a una piscina. Con ello, el sistema de suelo radiante actuará como sistema de refrescamiento de la vivienda o dependencias.

 

Por lo artículos publicados en esta web sobre eficiencia energética, nos daremos cuenta que la mejor opción en cualquier sistema de bomba de calor con sistemas de calefacción por agua, es la instalación  de calefacción por baja temperatura (suelo radiante), para obtener la máxima eficiencia. Incluso, en combinación con instalaciones de energía solar térmica obtendremos importantes ahorros energéticos y significativas reducciones de emisiones de CO2 con lo que obtendríamos una buena calificación energética.

¿Qué Ventajas tiene la Energía Geotérmica?

• Energía limpia
• Energía renovable
• Energía Eficiente
• Energía para todo el mundo, bajo nuestros pies
• Energía continua, a diferencia de la solar y la eólica
• Bombas de calor actuales con grado de eficiencia elevado
• Emisiones de CO2 muy inferiores al resto de combustibles
• Costes de explotación reducidos

¿Qué se debe tener en Cuenta?

• Es necesario realizar un estudio de viabilidad económica del proyecto
• Dependiendo de la magnitud de la instalación, se podría necesitar un estudio geotécnico
• Coste inicial elevado, sobre todo en el caso de captación vertical
• Periodos de amortización medios (entre 5 y 7 años)

• Leer más sobre ENERGÍA GEOTÉRMICA. LA ENERGÍA RENOVABLE DEL SUELO (de Instalaciones y Eficiencia energética.com)
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Lo primero que veo cuando observo las tablas comparativas es que tienen razón los fabricantes cuando dicen que la aerotermia es una alternativa interesante a los sistemas con calderas. Interesante porque puede utilizarse en aquellas situaciones en las que no es posible instalar una caldera, por problemas de evacuación de humos, falta de suministro de gas natural, falta de espacio para un silo de biomasa, etc,  y además, a unos costes de operación e instalación comparables. Siempre y cuando los utilicemos con emisores que trabajen a baja temperatura. Para radiadores o fancoils a 60ºC el rendimiento baja lo suficiente para que no sean una opción frente a los anteriores. En regiones con veranos duros, zonas 3 y 4 del CTE, además aportan refrigeración mediante suelos refrescantes o fancoils, con lo que evitamos tener que utilizar otro sistema para este servicio.

Desde mi punto de vista estos equipos tienen varios inconvenientes que creo conviene sopesar cuando pienses utilizarlos:

• La electricidad en los últimos años está sufriendo continuas subidas de precio directamente, o indirectamente mediante cambios de regulación. El incremento anual del 6% con el que he realizado los cálculos es incluso bajo para lo que se espera a partir de ahora. La tendencia alcista del precio de la electricidad y la inestabilidad de su marco regulatorio son para mí factores negativos importantes a la hora de elegir esta energía para climatizar nuestras viviendas.
• Normalmente instalar un equipo de estas características implica tener que contratar más de 10 kW de potencia eléctrica y salirse de la TUR (tarifa regulada por el gobierno). Y esto conlleva un incremento importante del coste del recibo.
• En zonas frías, con temperaturas de cálculo de calefacción por debajo de 0ºC, la potencia de estos equipos disminuye bastante por lo que será necesario comprobar que la potencia útil del equipo es suficiente en las condiciones de cálculo. Los catálogos dan datos de potencia a 7ºC de temperatura exterior que es bastante más alta de las que se alcanzan en invierno en el interior de la península. Para viviendas unifamiliares esto implica, casi seguro, que tenemos que utilizar equipos que tengan resistencia de apoyo para cuando la bomba de calor no tiene capacidad suficiente. E incluso habrá bastantes casos, sobre todo en rehabilitaciones de edificios con malos niveles de aislamiento en que haya que pensar en dos equipos o en un apoyo con caldera.
• El apartado anterior me lleva ha hacer una última reflexión. Cuando necesitemos más de 11 o 12 kW de potencia sería conveniente realizar un cálculo de carga serio, nada de utilizar ratios o reglillas. Si estás pensando en usar este sistema con un suelo radiante sería muy interesante hacer una simulación para poder verificar la demanda de potencia real de la vivienda y dimensionar la bomba correctamente. En definitiva creo que como con estos equipos no tenemos potencia de reserva como sucede cuando utilizamos calderas, hace falta hacer números y ser más fino en los cálculos porque podemos llevarnos una sorpresa poco agradable.
• Exige, pide e incordia al fabricante para que te de cálculos desarrollados de potencia a instalar y de rendimientos estacionales esperados en tu caso concreto. No vale con que te presenten una hoja con colorines diciéndote que vas a ahorrar mucho. Que te lo expliquen.

Espero que ahora tengas algún dato más para poder evaluar el encaje o no de la aerotermia en tu proyecto. La decisión no es un sí o no rotundo y dependerá mucho más de otros condicionantes como la obra, la emisión de ruido o las preferencias del promotor.

• Leer más sobre Aerotermia: CONCLUSIONES. (Artículo de Daniel Pascual Sánchez)
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La segunda vivienda, en la que recientemente se ha sustituido una caldera por un equipo de este tipo, se encuentra en un pueblo al sur de Salamanca y fue proyectada por los arquitectos mas. arquitectura y urbanismo de Valladolid. En este caso se sustituyó una caldera de biomasa alimentada con pellet por una bomba de calor de aerotermia. Igual que en la anterior, se trataba de una vivienda unifamiliar aislada, con dos plantas, sótano y una superficie climatizada total de 170 m². La calefacción proyectada por los arquitectos consistía en un suelo radiante y una caldera de biomasa de alto rendimiento alimentada desde un silo de alta capacidad. La caldera seleccionada tenía una potencia útil de 15 kW y unos buenos rendimientos a carga total y carga parcial, del 94,3% y 90% respectivamente.

Como he comentado, se sustituyó por una bomba de calor aire-agua modeloGenia Air 15 de la marca Saunier Duval. Tiene una potencia nominal de 14,2 kW y un COP de 3,21. En realidad, en condiciones exteriores de cálculo de calefacción, la potencia entregada por la bomba de calor es aproximadamente 9 kW con un COP de 2,2.

Los datos que he utilizado para hacer la comparativa entre ambos sistemas son:

• La demanda anual de energía la calculamos mediante una simulación energética con el programa Energy Plus y unos datos de horarios y cargas internas adecuados al uso particular de la vivienda.
• Los rendimientos estacionales de la bomba de calor de aerotermia en calefacción y ACS son los declarados por el fabricante en su estudio para este caso particular, no están muy explicados en la documentación presentada pero para hacer nuestros números nos lo creemos.
• El rendimiento estacional de la caldera de biomasa se calcula por el método indirecto y restándole un 2% por pérdidas debidas a distribución y equilibrado, etc.
• El coste del kWh de pellet se ha obtenido con los datos facilitados por la asociación dedicada a esta materia Avebiom. Se ha supuesto un incremento del precio de este tipo de energía del 2% que es conservador puesto que los incrementos en los últimos años no han alcanzado este valor.
• En este caso no dispongo de los presupuestos de instalación de cada opción así que no meto en el comparativo económico los datos de inversión inicial. La opción con biomasa será, más o menos, unos 4.000 € más cara que la opción con aerotermia.

El cuadro resumen de los cálculos energéticos es el de la imagen1.

Y el comparativo del coste de la energía de ambas opciones es el de la imagen 2.

• Leer más sobre Aerotermia versus caldera de biomasa. (Artículo de Daniel Pascual Sánchez)
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Aerotermia: Bomba de calor para producción de calefacción, aire acondicionado y agua caliente

La aerotermia es un tema del que solemos hablar desde hace dos o tres años. La eficiencia de las bombas de calor ha crecido mucho en los últimos años y ha permitido que los principales fabricantes de equipos de aire acondicionado pongan en el mercado bombas de calor aire agua capaces de alcanzar temperaturas por encima de los 60º que permiten preparar agua caliente sanitaria.

Están pensadas para sustituir en viviendas a calderas mixtas o sistemas partidos. Permiten además dar una servicio de refrigeración, bien con suelo refrescante o con fan-coils. Son equipos similares a las bombas de calor partidas que todos conocemos. Con una unidad exterior y un circuito de refrigerante que conecta una unidad interior, normalmente denominada hidrokit. La unidad interior contiene intercambiadores de calor y circuladores, y transfiere la energía hacia los distintos emisores o acumuladores. En otros fabricantes el sistema consiste en una bomba de calor aire-agua en el exterior y un circuito de agua climatizada que alimenta a un depósito de inercia para la calefacción-refrigeración y un acumulador para el ACS. Es habitual que para no sobredimensionar la bomba de calor incorporen una resistencia de apoyo. A partir de una potencia determinada la resistencia suplementa lo que la bomba de calor no puede aportar. La idea es que este apoyo entre en funcionamiento periodos cortos de tiempo cuando las condiciones exteriores son más desfavorables. Evidentemente esto perjudica el rendimiento estacional del equipo y debe ser tenido en cuenta en los cálculos del rendimiento aportados por el fabricante.

En los dos últimos años, en dos proyectos de viviendas unifamiliares con los que he tenido relación, se han sustituido los sistemas de producción proyectados por bombas de calor de este tipo. En ambos casos, por diferentes motivos, el promotor prefería esta opción. En uno de esos casos supervisé el cambio haciendo algunas sugerencias a la propuesta del fabricante. Lo que no me quedó nada claro entonces es si realmente obteníamos un ahorro energético y económico, tal y como contaban los fabricantes. En este post voy a hacer unos números gordos para tratar de ver si la aerotermia es una opción interesante a tener en cuenta en este tipo de proyectos.

• Leer más sobre ¿Aerotermia sí o no?. artículo de Daniel Pascual Sánchez, arquitecto especializado en instalaciones y eficiencia energética
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Aerotermia versus caldera de condensación y enfriadora

En este caso se trata de una vivienda unifamiliar proyectada por Plano Inclinado Arquitectos,  de dos plantas más sótano, situada en las afueras de Madrid y de 242 m² de superficie climatizada. El proyecto planteaba un suelo radiante y refrescante con una caldera mixta de condensación a gas natural de 34 kW útiles y una enfriadora aire agua de 6,3 kW de potencia con un EER de 3,3 en condiciones de diseño. La potencia máxima demandada en calefacción se estimó en 16,6 kW y la de refrigeración 10,9 kW. La máxima que era capaz de disipar el suelo refrescante eran 4,4 kW. Para producción de ACS además se prescribió un acumulador de 150 l.

El instalador propuso sustituir la caldera y la enfriadora por una bomba de calor de aerotermia modelo Altherma, de la marca Daikin, con un acumulador para ACS de 200 l. Para seleccionar la bomba y estudiar su comportamiento utilicé el software del propio fabricante Daikin Altherma Simulator. En las condiciones de diseño del proyecto la bomba de aerotermia con la resistencia de apoyo en marcha era capaz de dar una potencia máxima de 16,3 kW teniendo en cuenta la necesidad de suministrar ACS.

Vemos que en las condiciones de proyecto la bomba de aerotermia suministra casi toda la potencia máxima necesaria y que por debajo de 1,8ºC de temperatura exterior entra en marcha la resistencia de apoyo. El COP estacional teniendo en cuenta el desescarche y el apoyo con resistencia es de 3,5. En el siguiente gráfico y tabla el programa de Daikin nos da datos del porcentaje de tiempo que entra en marcha y de los kWh que cubre la misma.

Vamos ahora a estimar si realmente es más económico utilizar aerotermia y si las emisiones que generamos son menores que con los equipos prescritos en proyecto.

Para ello lo mejor sería realizar una simulación energética en la que pudiésemos obtener la demanda térmica correspondiente a un sistema de superficie radiante como es el suelo radiante y donde pudiésemos simular el comportamiento de los equipos de producción en las condiciones reales de trabajo. Una forma sencilla de realizarlo, aunque no demasiado precisa, sería utilizar Calener VYP y el plugin de Uponor Upsoft para corregir la demanda térmica de calefacción por el uso de un suelo radiante. Además, mediante el plugin Calener-BD, podemos incorporar las curvas de trabajo de la bomba de aerotermia Altherma con lo que obtendremos un rendimiento estacional bastante cercano al real del equipo.

En este caso voy a hacer unos números gordos con los datos que tengo a mano como comenté al principio del post. Los datos que voy a utilizar son:

• La  demanda de la calificación energética del proyecto calculada con el programa reconocido Cerma. No tienen en cuenta la reducción de demanda debido al uso de un suelo radiante pero nos dan una idea de consumo anual de la vivienda que al menos está obtenido por un programa oficial. En cualquier caso para comparar sistemas tampoco es muy determinante ya que ambas opciones tienen suelo radiante.

• El rendimiento estacional de la bomba de calor Altherma es el que nos da el programa de cálculo de Daikin que he mencionado antes.
• El rendimiento estacional de la caldera de condensación lo obtenemos utilizando la UNE EN 15378:2007 y el valor de rendimiento al 30% de potencia declarado. Le restamos un 2% por pérdidas debidas a distribución y equilibrado. El rendimiento estacional para esta caldera lo tomo en un 103%. En realidad será algo mayor puesto que la caldera siempre trabaja a baja temperatura de impulsión  de 45ºC al alimentar a un suelo radiante.
• El rendimiento estacional de la enfriadora vamos a suponer que es el mismo que el rendimiento en las condiciones de proyecto (que son las más desfavorables) del equipo, tenemos un EER de 3,3. El rendimiento estacional real sería algo mayor a este valor puesto que, en condiciones más favorables, la temperatura de impulsión al suelo radiante sería más alta.

El cuadro resumen de los cálculos energéticos es el que se muestra en la imagen 1.

Y el comparativo energético y económico de ambas opciones es el de la imagen 2.

• Leer más sobre Aerotermia versus caldera de condensación y enfriadora (artículo de Daniel Pascual Sánchez)
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