BOMBAS DE CALOR

Por Jacques BERNIER Directeur technique AIRPAC International, Ingeniero IFFI (Instituto Francés del Frió Industrial), Conferencista IFE (Instituto Francés de la energía)

INTRODUCCIÓN
« Los ingenieros se deciden por fin a entender que nuestra tierra no es inagotable y que un día, más temprano que lo que pensamos, nuestra tierra excavada no tendrá ni siquiera un pedazo de carbón o una gota de petróleo. »
Alphonse ALLAIS (1900)
¿ Y que tal si excaváramos nuestro suelo para transferir su calor hacia el uso térmico y termodinámico ?
Los recursos geotérmicos pueden ser clasificados en tres grupos :
•La geotermia profunda, en general con temperaturas superiores a 150°C, cuyo uso puede servir para proveer energía mecánica y producir electricidad.
•La geotermia semi-profunda, con temperaturas entendidas entre 35°C y 150°C, que puede así asegurar directamente la calefacción de edificios y también producir frío con absorción (con más de 80°C).
• La geotermia de superficie, con temperaturas inferiores a 35°C.

Geotermia profunda y semi profunda
La energía geotérmica corresponde a la que está contenida en las rocas y los fluidos (agua caliente, vapor de agua, aguas cargadas) llenando los poros y las fracturas de la capa terrestre.
Una parte de estos recursos está en relación directa con la actividad volcánica.
Para algunas fuentes, los movimientos convectivos permiten transferir el calor profundo hacia la superficie gracias a la permeabilidad de las rocas y la presencia de líquido en sus porosidades.
Los flujos térmicos dependen de la naturaleza del bajo suelo y las temperaturas varían según la profundidad, con una variación media de 24°C por km. Gradientes de 9 a 48°C/km son muy frecuentes.
Los sitios donde los gradientes son los más elevados, constituyen las fuentes geotérmicas más interesantes y más viables.
Geotermia de superficie
Este medio de calefacción y de refrescamiento innovador, usa la asociación de dos técnicas :
•La energía geotérmica.
•La nueva generación de bombas de calor agua glicolada/agua.
Grandes programas están en desarrollo en todo el mundo.En Francia, esta técnica está desarrollada desde 1996 con captores horizontales con agua glicolada. Desde 1998 esta técnica empieza a estar asociada con sondas verticales.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El agua glicolada es llevada con una bomba en el captador, es helada en el evaporador de la bomba de calor PAC hasta una temperatura del orden de 3°C antes de ser inyectada de nuevo en el captador geotérmico.

El calor sacado del evaporador es termodinámicamente elevado a una temperatura de 35°C con el objetivo de usarlo para la necesidad de calefacción de la casa por intermedio de un piso radiante.Puede ser prevista una temperatura de 45°C a la partida del agua caliente, con el objetivo de permitir la calefacción por radiadores de baja temperatura o por ventilo convectores “fan coils” para las instalaciones nuevas o existentes.

LAS BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS
Para el uso del calor del suelo, es necesaria una máquina termodinámica. Esta deberá ser dimensionada según las necesidades energéticas de la casa. De la misma manera, la dimensión de los captadores geotérmicos deberá ser calculada en consecuencia.
El calor sacado del evaporador es termodinámicamente subido en potencia a una temperatura de 35°C con el objetivo de usarlo para las necesidades de calefacción de la casa mediante un piso radiante de baja temperatura.
El sistema termodinámico usa un compresor espiro-orbital silencioso cuya puesta en marcha permite, con la regulación, mantener la temperatura ambiente de la casa con las condiciones deseadas.
En verano, el ciclo termodinámico se cambia, lo que permite un refrescamiento eficiente de la casa, regenerando térmicamente a la vez el bajo suelo.
La tierra es utilizada desde hace varios años en Europa y en el mundo como fuente de calor para alimentar las bombas de calor asegurando así la calefacción y el refrescamiento de las casas individuales.

EFECTO INVERNADERO GLOBAL CALEFACCIÓN Y AGUA CALIENTE SANITARIA
Cuando hablamos de la contaminación, se trata muy a menudo de los autos y olvidamos que para calefaccionar una casa hay también emisiones de CO2.
El equivalente en kg de dióxido de carbono emitido, es la base elegida para medir el impacto sobre el efecto invernadero de los diferentes sistemas de calefacción, es decir su responsabilidad en el calentamiento del planeta. !Grande es la sorpresa cuando nos damos cuenta que la contaminación equivalente en CO2 de una casa es muy a menudo superior a un auto!
El efecto invernadero producido por una instalación de calefacción debe tener en cuenta el efecto directo (gas frigorígeno emitido) y el efecto indirecto debido al consumo de energía.
Para los sistemas funcionando con electricidad, la cantidad de CO2 emitida para producir 1 KWh eléctrico depende de los países y varía de 0,005 kg de CO2 /KWh a 1,1 Kg de CO2/kWh.

Promedio internacional: 0,65 kg CO2/kWh eléctrico producidoPromedio Europeo: 0.50 kg CO2/kWh eléctricoPromedio Chile: 0,47 kg CO2/kWh eléctrico

Bases de cálculo :
•Efecto invernadero de la energía eléctrica calculada con el promedio europeo, 0.50 kg CO2/Kwh.
•Caldera de 23 Kw, rendimiento de combustión 88%, pérdidas de espera 1,4%.
El impacto de una instalación de bomba de calor sobre el efecto invernadero depende de :
• Su coeficiente de eficiencia que define su consumo de energía eléctrica. • La cantidad de energía térmica producida por año.• El consumo de energía de auxiliares.• La cantidad de fluido frigorígeno contenido en el circuito.• La aptitud de fugas de instalación.• La duración de vida del equipo y la cantidad de fluido recuperado al final de su vida útil.• El tipo de fluido frigorígeno usado : R-134a : impacto directo de 1300 kg CO2 / kg de fluido frigorígenoR-407C : impacto directo de 1450 kg CO2 / kg de fluido frigorígenoR-404A : impacto directo de 3700 kg CO2 / kg de fluido frigorígenoR-410A : impacto directo de 1900 kg CO2 / kg de fluido frigorígenoR-290 : impacto directo de 3 kg CO2 / kg de fluido frigorígenoCO2 : impacto directo de 1 kg CO2 / kg de fluido frigorígenoNH3 : impacto directo de 0 kg CO2 / kg de fluido frigorígenoR-22 : impacto directo de 1700 kg CO2 / kg de fluido frigorígeno (HCFC prohibido por su impacto negativo con la capa de ozono)
Las bombas de calor existentes en el mercado usan todas los HFC R-407C, R-410A, o R-404A ; algunas usan todavía el R-22 que es un HCFC que tiene una acción negativa sobre la capa de ozono. Los fluidos naturales como el amoniaco (NH3) o el propano (R-290) o el CO2 no son utilizados para aplicaciones domésticas.
Según los sistemas la cantidad de fluido frigorígeno será diferente, lo que tendrá un impacto directo sobre el efecto invernadero.
Impacto de las bombas de calor con el efecto invernadero
La bomba de calor geotérmica SIRIUS asegura la calefacción y eventualmente el agua caliente sanitaria todo el año ; el consumo de energía se rebaja a 2881 kWh para la calefacción, 755 kWh para la producción de agua caliente sanitaria y 480 kWh para los otros auxiliares (bombas).
El impacto sobre el efecto invernadero de este sistema es de :
Efecto invernadero directo ESD PAC =0.03 x 1.2 x 1300 + 1.2 x 0.5 x 1300/15 = 99 kg CO2
Efecto invernadero indirecto ESI PAC = (2881+755+480) x 0,5 = 2058 kg CO2
ESGPAC = ESD PAC + ESI PAC = 99 + 2058 = 2157 kg CO2
Efecto invernadero geotérmico global: 2 157 kg CO2/año (calefacción + agua caliente sanitaria)

Impacto sobre el efecto invernadero otras energías - Calefacción gas con radiador: 6 050 Kg. CO2 / año- Calefacción fuel con radiador: 7 120 Kg. CO2 / año- Calefacción eléctrica: 6 950 Kg. CO2 / año
VENTAJAS DEL SISTEMA GEOTÉRMICO Ventaja ecológica
Dividir el impacto del efecto invernadero por 3 comparado con otros sistemas de calefacción.
No tiene ningún impacto sobre la capa de ozono si no se usan los fluidos frigorígenos CFC o HCFC.
Ausencia de chimenea, ausencia de humos.
No se requiere apoyo de otra fuente exterior para asegurar la calefacción todo el año.
Ventaja energética
Mas allá de 6 a 8 m de profundidad, el suelo tiene una temperatura estable independientemente de las temporadas. Este hecho está muy bien aprovechado por las sondas geotérmicas cuyas eficiencias no están afectadas por el tiempo.
El concepto mejora levemente la eficiencia de las bombas de calor acopladas a captadores enterrados. Un ahorro de energía global de 70% en la cuenta de calefacción es hoy día posible, lo que rebaja la cuenta de calefacción a 200000 pesos por año para una casa de 180 m2 en Santiago.
CONCLUSIÓN El éxito pasa imperativamente por la solidez de todas las etapas de realización de las instalaciones de las bombas de calor geotérmicas:
ÞMáquinas bien concebidas y bien fabricadas.ÞEstudio de los sistemas realizado por oficinas de proyecto eficientes. ÞInstalación realizada por profesionales certificados y especialmente capacitados.ÞMantención efectuada por instaladores especializados.
El éxito será proporcional a la voluntad del conjunto de especialistas.
Esta estrategia de aseguramiento de calidad es seguramente la única que permitirá un desarrollo durable de las bombas de calor.
Para terminar hay que destacar que las inversiones en bombas de calor es lejos más barato que los otros tipos de energías renovables y el costo del kWh térmico es de 2 a 10 veces más bajo.


Hugo E. Pereira Gigogne
Arquitecto