Comprender los sistemas de calefacción y refrigeración geotérmicos

Con un mayor énfasis en la reducción de las emisiones de energía y la huella de carbono como centro de atención, los sistemas de calefacción y refrigeración geotérmicos se han vuelto populares entre los propietarios de viviendas en todo Estados Unidos. Los sistemas geotérmicos han existido desde la década de 1940, comenzando por proporcionar calentamiento de agua básico. Con el tiempo, la incorporación de nuevas tecnologías y avances en los sistemas de manejo de aire ha hecho que los sistemas geotérmicos sean adecuados como una alternativa comercialmente viable a los sistemas HVAC más convencionales.

Los sistemas de calefacción y refrigeración geotérmicos, también llamados bombas de calor de fuente terrestre (GSHP), proporcionan calefacción y refrigeración mediante el intercambio de calor con el suelo. Estos sistemas aprovechan el hecho de que la temperatura del suelo permanece relativamente constante durante todo el año, oscilando entre 45 y 75 F. Según la temporada, el suelo puede servir como fuente de calor o como disipador de calor.

El principal beneficio de las bombas de calor geotérmicas es que utilizan entre un 25 % y un 50 % menos de electricidad que otros sistemas de calefacción o refrigeración. Además, aunque los costos iniciales de instalación pueden ser altos, el período de recuperación relativamente corto de 6 a 7 años compensa la inversión inicial. Después de este período, es un sistema HVAC de bajo mantenimiento y de bajo consumo para su hogar.

Todos los sistemas de calefacción y refrigeración geotérmicos tienen algunos componentes comunes. Estos incluyen un mecanismo para transferir el fluido de intercambio de calor al suelo y viceversa, una bomba de calor para mover el fluido y un sistema de distribución.

Echemos un vistazo a cada uno de estos subsistemas y sus funciones.

Sistemas de bucle geotérmico

Todos los tipos de sistemas geotérmicos emplean una malla de tuberías interconectadas que se utilizan como intercambiadores de calor colocados bajo tierra. En los inviernos, cuando hace frío en el aire pero tibio en el suelo, el refrigerante dentro de estos serpentines absorbe el calor del suelo y lo transfiere al edificio. El mismo proceso se invierte para los veranos cuando el calor es absorbido por el edificio y expulsado al suelo.

Este sistema de bucle se conecta a la bomba de calor geotérmica. Incluye el compresor, la bomba y una unidad de tratamiento de aire opcional si el sistema calienta el aire. Luego, este aire circula por toda la casa mediante un sistema de conductos y ventilaciones.

Los sistemas geotérmicos se clasifican según el diseño de los intercambiadores de calor. Pueden ser bucles cerrados, bucles abiertos, verticales, horizontales, bucles de estanque o bucles furtivos. Los sistemas de circuito cerrado recirculan el refrigerante ya presente dentro del sistema. Por otro lado, los sistemas de circuito abierto renuevan constantemente el refrigerante, utilizando un lago de agua dulce o un acuífero subterráneo, ya que en este caso el refrigerante es principalmente agua.

Sistemas geotérmicos de circuito cerrado

Los sistemas de circuito cerrado son el tipo común que se utiliza para los sistemas geotérmicos. El agua, mezclada con anticongelante u otro refrigerante adecuado, se usa dentro de los serpentines del intercambiador de calor para servir como medio de intercambio de calor. No hay necesidad de reponer el fluido en el sistema continuamente. Este sistema se puede dividir aún más según la orientación de los bucles del intercambiador de calor dentro del suelo.

Bucles verticales

Como es evidente, los intercambiadores de calor de este tipo están orientados verticalmente. Se perforan agujeros de hasta 400 pies de profundidad y se colocan tubos en U dentro de ellos. Luego se conectan múltiples tubos en U en diferentes orificios para formar una red cerrada, que luego se conecta con la bomba y el compresor (si lo hay).

Luego, el pozo se llena con lechada para proporcionar una mejor conductividad térmica entre los tubos en U y el suelo. El número de perforaciones, su espacio, profundidad y volumen de fluido en los tubos en U depende de las características del suelo, las necesidades de calefacción y refrigeración de la casa y las variaciones de temperatura.

Una ventaja de esta disposición es que puede colocarse dentro de un área de superficie pequeña en comparación con los bucles horizontales. Esto lo hace ideal para pequeños propietarios de viviendas o escuelas dentro de áreas urbanizadas, donde los bienes raíces a menudo pueden ser una ventaja. Pero se deben tomar medidas preventivas para que los pozos sean lo suficientemente fuertes como para no colapsar. Además, el subsuelo perforado aún debería poder sostener los edificios en las inmediaciones.

Bucles horizontales

Un sistema de bucles horizontales se compone de tuberías que se colocan en una orientación horizontal a lo largo del suelo. Se cava una zanja poco profunda y larga, más profunda que la línea de congelación, y se colocan tubos en U dentro de ellas. Generalmente, la profundidad es de 1 a 3 metros. La longitud puede ser de hasta 400 pies, según los requisitos específicos.

La profundidad puede tener un efecto profundo en las características de calefacción y refrigeración de un sistema de bucle horizontal. Si son demasiado superficiales, los bucles pueden absorber el calor del sol durante el cambio de invierno a verano, cuando el suelo aún está relativamente frío. Esto aumenta la capacidad de calefacción del sistema. Pero un efecto adverso es que durante los meses de invierno, los bucles se enfriarán a un ritmo mayor debido a su proximidad a la superficie.

Este problema se puede eliminar aumentando la profundidad de los bucles, compensándose el mayor coste de instalación con el ahorro de energía. Otra solución es usar una capa superior térmicamente no conductora sobre los bucles. Esto evita que los bucles se vean afectados por la capa superior del suelo o los cambios atmosféricos de temperatura.

Los sistemas de bucle horizontal son más adecuados para áreas con una gran cantidad de terreno disponible para excavar, como grandes granjas, fincas en el campo, etc.

Bucles furtivos

Al igual que los bucles horizontales, los bucles slinky se usan cuando se deben usar bucles horizontales, pero no hay suficiente espacio disponible. Las tuberías en forma de bobina se colocan en zanjas poco profundas similares a los bucles horizontales. Estos bucles se superponen entre sí cuando se colocan en el fondo de la zanja. Esto proporciona la misma cantidad de distancia para que el fluido pase dentro de las tuberías pero con una longitud de cobertura más corta de todo el sistema.

Lazos de estanque

Estos sistemas se utilizan donde hay un cuerpo de agua adecuado cerca. Los bucles pueden sumergirse debajo del agua o colocarse en el lecho del cuerpo de agua. Tal sistema no tiene costos de excavación o perforación asociados con él, y en el caso de una falla o fuga, proporciona una fácil extracción del sistema de bucle. El cuerpo de agua debe ser lo suficientemente profundo para que los efectos superficiales de la temperatura no se traduzcan dentro de los bucles.

Sistemas geotérmicos de bucle abierto

Los sistemas de circuito abierto son los más simples de todas las formas de sistemas de calefacción geotérmica. Se utiliza una tubería de extremo abierto para extraer agua de un acuífero subterráneo, una fuente termal u otra fuente de agua adecuada. Esta agua luego pasa a través de los intercambiadores de calor dentro de la bomba de calor. A continuación, el agua consumida se vierte en la misma fuente de agua, a una distancia adecuada de la toma de agua. Sin embargo, los sistemas de circuito abierto tienen algunos desafíos.

Se debe tener mucho cuidado para asegurar que el agua de entrada esté suficientemente limpia y tenga una composición mineral adecuada para no dañar la bomba de calor o los intercambiadores de calor. Los productos químicos o sólidos disueltos en el agua pueden reaccionar con el material de los intercambiadores de calor y servir como acelerador de la corrosión. Se puede formar cal en el interior de las tuberías, reduciendo así el flujo de agua.

Además, las regulaciones ambientales en algunos lugares exigen que el agua de salida sea tratada antes de ser vertida. Incluso las regulaciones más estrictas pueden prohibir por completo la descarga de agua, lo que requiere sistemas de circuito cerrado.

Bombas de calor geotérmicas

Casi todos los tipos de sistemas geotérmicos tienen una bomba de calor. Por lo general, se instala en un gabinete, en algún lugar fuera de la vista. Una bomba de calor geotérmica consta de un compresor, un intercambiador de calor y otros sistemas de control relacionados. Si el sistema de calefacción y refrigeración utiliza aire para acondicionar los espacios interiores, una unidad de tratamiento de aire también forma parte del paquete.

Las bombas de calor funcionan intercambiando calor entre el refrigerante (generalmente agua) en los circuitos de tierra y el medio dentro de los conductos. Durante los meses de invierno, el agua absorbe el calor del suelo y viaja al intercambiador de calor de la bomba de calor. Luego, el refrigerante se comprime, elevando su temperatura y convirtiéndolo en gas. Luego, el calor del refrigerante se extrae mediante intercambiadores de calor y se pasa a través de un sistema de conductos o tuberías por toda la casa. El último paso generalmente se realiza con unidades de tratamiento de aire si el aire se usa para distribuir el calor.

Este proceso se invierte en los meses de verano. Con el enfriamiento geotérmico, el refrigerante absorbe el calor del interior y lo expulsa al suelo a través de los circuitos subterráneos.

Sistema de distribución geotérmica

Al igual que con los sistemas de aire acondicionado por conductos, los sistemas geotérmicos también emplean un sistema de conductos. Esto hace que los sistemas geotérmicos sean especialmente adecuados para proyectos de renovación en viviendas con conductos ya instalados. Los conductos existentes se pueden utilizar para este propósito.

Esto es válido para los sistemas que transfieren calor por todo el edificio usando aire, llamados sistemas de líquido a aire. Las unidades de tratamiento de aire, que son grandes ventiladores, mueven grandes volúmenes de aire a través de los conductos. Pero en algunos sistemas, el agua se bombea directamente a través de las casas usando tuberías incrustadas en la estructura base de la casa o a través de calentadores de radiadores; este arreglo se llama agua a agua.

Los sistemas de agua a agua también se pueden utilizar como calentadores de agua para uso doméstico. Una bomba de calor geotérmica puede mantener el agua corriente a una agradable temperatura de 120 F, que es menos de los 150-200 F requeridos que se logran a través de las calderas. Pero precalentar el agua a través de un sistema geotérmico da como resultado un ahorro de energía con la caldera.

Los arreglos de agua a agua son una opción popular para los sistemas de distribución de agua para calefacción y refrigeración. Los bucles están incrustados debajo del piso o dentro de las paredes. Estos bucles permanecen fuera de la vista y no hacen ningún ruido mientras proporcionan calefacción y refrigeración. Otra opción es utilizar sistemas de calefacción de zócalo junto con sistemas geotérmicos. Pero tenga cuidado con esta opción y consulte a un profesional para conocer el tamaño adecuado de su hogar y los requisitos de calefacción.

Costos de instalación de calefacción y refrigeración geotérmica

Los sistemas geotérmicos presentan una inversión inicial más alta que los sistemas domésticos de calefacción y refrigeración contemporáneos, aunque estos costos están disminuyendo gradualmente. Con una tasa de crecimiento de alrededor del 12 % anual en el mercado de sistemas geotérmicos, cada vez más fabricantes aumentan la competencia y reducen los precios.

En promedio, los sistemas geotérmicos domésticos pueden costar entre $10,000 y $30,000. La cantidad exacta depende de las características del suelo, el área a excavar, si se trata de un sistema de bucle vertical o de bucle horizontal, el área de acondicionamiento dentro de la casa, los conductos anteriores y la calidad de la instalación. Las versiones de gama alta pueden costar incluso más que esto.

Además, la elección entre agua-aire y agua-agua también puede influir en el costo. Las bombas de calor agua-aire son la opción más económica entre las dos.

La perforación y la excavación pueden representar más de la mitad del costo total de instalación de un sistema geotérmico. La instalación de bombas de calor geotérmicas para todo el sistema también puede ser costosa. Los costos de calefacción y refrigeración geotérmica promedian $2500 por tonelada, según el Departamento de Energía de EE. UU.

Ventajas de los sistemas geotérmicos de calefacción y refrigeración

Las ventajas que ofrecen los sistemas geotérmicos son numerosas. Veamos algunos de ellos:

• Eficiencia Energética

En lo que respecta a la eficiencia, los sistemas de calefacción y refrigeración geotérmicos superan con creces al aire acondicionado convencional. La razón principal de esto es que un sistema de bomba de calor geotérmica no expulsa calor a un ambiente exterior cálido, sino que lo transfiere a un ambiente frío.

Como se discutió anteriormente, un sistema geotérmico puede proporcionar ahorros de energía de hasta un asombroso 50%. Esto puede parecer un regalo del cielo en los calurosos meses de verano. Esto se debe en parte a los altos índices de eficiencia energética de los sistemas geotérmicos, que alcanzan un máximo de 25, en comparación con los 15 de los sistemas convencionales. Por lo tanto, la refrigeración geotérmica puede tener un gran impacto en sus facturas de verano.

• Conveniencia

Un sistema geotérmico no tiene muchas partes que cuidar, como un sistema HVAC convencional. No hay conductos; no hay amortiguadores ni persianas; no es necesario controlar el combustible. No es necesario mantener un horno en los inviernos y una bomba de calor en los veranos. Los dos componentes principales de los sistemas geotérmicos son los circuitos de tierra y la bomba de calor. Los bucles de tierra se instalan desde el principio y rara vez es necesario volver a ocuparse de ellos.

• Mantenimiento reducido

La vida útil promedio de un acondicionador de aire convencional es de alrededor de 10 a 15 años. Pero esto es solo después del debido cuidado y mantenimiento. Si descuida el cuidado adecuado de HVAC, la vida útil puede acortarse.

Un sistema de calefacción o refrigeración geotérmico, por otro lado, puede durar entre 20 y 50 años. Se requiere un mantenimiento mínimo. No es necesario comprobar periódicamente los bucles de tierra y el sistema puede seguir funcionando durante mucho tiempo. Esto se debe a que un sistema geotérmico no está expuesto a elementos agresivos durante todo el año. Un sistema HVAC convencional está expuesto al viento y a las variaciones de temperatura, junto con los contaminantes nocivos presentes en el aire.

Ahorros por sistema geotérmico de calefacción y refrigeración

¡Basta de costos, hablemos de los ahorros! Por el momento, los hogares instalados con sistemas geotérmicos califican para un crédito fiscal federal del 30%. Además de esto, la mayoría de los estados o las empresas de servicios eléctricos otorgan reembolsos o subvenciones a los hogares que utilizan sistemas de energía geotérmica. Esto también puede reducir significativamente los costos de la bomba de calor geotérmica. Para saber si es elegible para el reembolso, diríjase a la Base de datos de incentivos estatales para energías renovables y eficiencia.

Sus facturas de servicios públicos de electricidad también caerán en picada. Se estima que el 42% del uso de energía en el hogar es para necesidades de calefacción. El uso de sistemas geotérmicos puede reducir este uso en un 50 %, según las especificaciones del sitio. Lo mismo ocurre con las emisiones de gases de efecto invernadero.

Con una vida media de 20 a 25 años, los sistemas de calefacción y refrigeración geotérmicos pueden generar hasta $75 000 en ahorros de energía durante su vida útil. El período de pago es mucho más corto que eso, oscilando entre 5 y 8 años en promedio. Como puede ver, a pesar de que los costos de calefacción y refrigeración geotérmica pueden ser altos inicialmente, valdrán la pena a largo plazo.

¿Debe considerar los sistemas geotérmicos?

Absolutamente sí. Los ahorros de energía y los recortes de emisiones obtenidos a través de los sistemas geotérmicos los convierten en una propuesta atractiva. Incluso si los sistemas geotérmicos no proporcionan el paquete completo, se pueden utilizar como sistemas complementarios.

La elección final depende de su situación específica:si es una casa nueva o antigua, las capacidades de calefacción y refrigeración requeridas, y mucho más. También hay que tener en cuenta las finanzas. Los costos de la bomba de calor geotérmica pueden parecer prohibitivos. Pero, como siempre, con los sistemas HVAC, ¡asegúrese de consultar a un profesional experimentado antes de gastar su dinero!