Bombas de calor geotérmicas. Diseño de intercambiadores de calor verticales enterrados

Abstract

Se denominan Bombas de Calor Geotérmicas a los sistemas de climatización que, utilizando la energía renovable en forma de calor contenida en el subsuelo, permiten lograr ratios de eficiencia en el consumo energético mayores que en los sistemas convencionales. El aprovechamiento de esta energía renovable se realiza a través de un intercambiador de calor enterrado (ICE), el cual permite absorber o ceder calor al suelo según el proceso de climatización que se lleve a cabo. El presente trabajo tiene como objetivo entregar los conceptos teóricos y permitir de manera rápida y sencilla hacer frente al proceso de dimensionado del ICE, lo que resulta esencial en el diseño y en el buen funcionamiento de estos sistemas. Para lograr estos objetivos el trabajo entrega una descripción detallada de los componentes de estos sistemas de climatización, revisa en profundidad los fundamentos teóricos detrás del cálculo de la longitud del intercambiador de calor y presenta un modelo computacional Excel que permite de manera expedita realizar el dimensionamiento del ICE. La metodología utilizada en el desarrollo del trabajo se basó en primer lugar en una revisión bibliográfica de los sistemas de climatización con bombas de calor geotérmicas. Se utilizaron principalmente documentos desarrollados por la IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association), por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers) y por el instituto español IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía). Posteriormente y en base a la bibliografía existente se seleccionó el método para el dimensionamiento de los intercambiadores de calor. Este corresponde al método original desarrollado por la ASHRAE y simplificado a través de los trabajos realizados por Bernier, M.A., que a través de funciones correlativas logra simplificar en gran medida los cálculos a ejecutar en el dimensionamiento del ICE. Una vez hecha la revisión bibliográfica y teórica del método de dimensionamiento se procedió a su implementación en Microsoft Excel por tratarse esta de una herramienta computacional ampliamente disponible y difundida. Finalmente se procedió a la validación de la herramienta implementada para lo cual se utilizaron los trabajos realizados por Shonder, J.A., quien ha publicado diversos estudios que comparan distintas herramientas de dimensionamiento presentes en el mercado. Los resultados obtenidos muestran que el modelo y herramienta computacional implementados entregan valores de longitud de ICE acorde con los entregados por otros modelos y sistemas computacionales. Se realizaron validaciones tanto para modelos comerciales como residenciales, logrando en el primer caso un resultado 13% mayor y en el segundo caso un 9% mayor, ambos porcentajes respecto del promedio obtenido mediante los otros modelos disponibles. Cabe señalar que el modelo implementado permite el dimensionamiento de perforaciones verticales, quedando excluido el dimensionamiento de sistemas de climatización geotérmica en que el ICE se encuentra instalado horizontalmente.El presente trabajo permite al lector obtener de manera rápida y sencilla los conocimientos sobre los sistemas de climatización geotérmica y entrega la posibilidad, a través del modelo implementado, de generar un primer dimensionamiento de un caso particular que se desee estudiar. Este último hecho resulta a la vez ser una oportunidad para el lector dado el costo que representa obtener un sistema de dimensionamiento comercial y la mayor dificultad en su uso. Sin embargo se debe tener presente, como ya se señaló, que el estudio abarca únicamente los intercambiadores de calor verticales y que en caso se desee ejecutar un sistema industrial es recomendable el uso de sistemas comerciales. Mediante el desarrollo del trabajo se ha podido concluir entre otros aspectos que los sistemas de climatización con bombas de calor geotérmicas son una alternativa eficiente en la climatización de viviendas y/o edificios comerciales. El modelo teórico y la herramienta computacional implementada permiten determinar de manera expedita y sencilla el largo de un intercambiador de calor enterrado vertical obteniendo resultados acordes con otros modelos comerciales. Se observó además, a partir de los análisis de sensibilidad realizados, que las variables con mayor efecto en la magnitud del ICE corresponden a aquellas relacionadas con el terreno, esto es, temperatura imperturbable del terreno, conductividad y capacidad térmica de este. Se señala finalmente como tarea futura a desarrollar para la ampliación del presente trabajo el estudio teórico y la actualización de la herramienta computacional para que permita dimensionar intercambiadores de calor horizontales. Esta posible ampliación tiene su fundamento en el hecho de que los intercambiadores de calor enterrados horizontales suelen utilizarse en sistema de climatización de menor tamaño, como lo pueden ser para una vivienda, y dado que su implementación resulta en un menor costo de inversión inicial.