Las bombas de calor son cada vez más populares, pero cuando se trata de elegir entre una bomba de calor geotérmica y una bomba de calor aerotérmica, existe bastante confusión. En este artículo, destacaremos las ventajas de optar por una bomba de calor geotérmica y abordaremos algunos de los conceptos erróneos más comunes.
El elefante en la habitación
Antes de profundizar en las ventajas de contar con una bomba de calor geotérmica, abordemos el tema principal: el gasto de capital o CAPEX.
Las bombas de calor geotérmicas (GSHP) tienen fama de ser bastante más caras que sus homólogas de aire (ASHP), ya que no sólo hay que invertir en la propia bomba de calor, sino también en una costosa fuente geotérmica. Si bien es cierto que las GSHP suelen implicar costes iniciales más elevados, especialmente en el caso de las viviendas unifamiliares, no siempre es así.
- Cada vez más, en los barrios o centros urbanos, se aplican estrictas normativas sobre el ruido durante determinadas horas. En algunos casos, el ruido de una ASHP puede requerir medidas adicionales de mitigación del ruido. Éstas pueden ser bastante costosas, sobre todo en proyectos de mayor envergadura, lo que reduce la diferencia de coste de inversión entre ambos sistemas.
- La mayor parte de la inversión suele corresponder al sistema geotérmico. En proyectos de mayor envergadura, o para calefacción urbana de quinta generación, este sistema puede centralizarse, lo que reduce el coste de inversión para cada usuario individual.
Dicho esto, si un GSHP todavía resulta ser más caro que un ASHP en su situación particular, tenemos el resto de este artículo explicando otras razones por las que una solución geotérmica todavía puede ser la mejor opción.
Ventajas de una bomba de calor geotérmica
Las ventajas de una bomba de calor geotérmica pueden dividirse en dos categorías: razones individuales (por qué usted, como propietario de un edificio, elegiría una GSHP) y razones colectivas (por qué nosotros, como sociedad, deberíamos apoyar el uso de GSHP). A continuación se enumeran todas las razones, empezando por las individuales. Los dos últimos puntos, que se refieren al efecto isla de calor urbano y al problema de la congestión de la red, son razones colectivas.
Mayor eficacia
A menudo se dice que las GSHP tienen una mayor eficiencia que las ASHP y, por tanto, un menor coste de funcionamiento. Este razonamiento no es del todo sencillo, por lo que analizaremos la afirmación sobre la eficiencia por separado del argumento sobre los costes de funcionamiento, que se trata más adelante.
La eficiencia de cualquier bomba de calor viene determinada por la elevación de temperatura. Se refiere a la diferencia de temperatura entre la fuente de calor (el suelo o el aire) y la temperatura de suministro necesaria, que suele estar entre 35 °C y 55 °C. Cuanto mayor sea esta diferencia, menor será el rendimiento. Cuanto mayor sea esta diferencia, menor será el rendimiento.
Dado que la temperatura del suelo suele ser más alta que la del aire, una bomba de calor geotérmica alcanza una mayor eficiencia. Esta mayor temperatura del suelo puede explicarse por el hecho de que el suelo, a diferencia del aire exterior, no se utiliza simplemente como fuente de calor, sino que actúa más bien como una batería de calor. Al almacenar calor en el suelo durante los meses de verano mediante la refrigeración (como se explica más adelante), la temperatura del suelo aumenta. Este calor almacenado puede utilizarse en invierno para proporcionar una calefacción más eficiente.
La mayor eficiencia de las GSHP se refleja también en el coeficiente de rendimiento estacional, o SCOP, que se facilita oficialmente en todas las fichas técnicas. En el pasado, la diferencia de rendimiento era bastante significativa, aunque hoy en día la diferencia se ha reducido. Sin embargo, sigue existiendo una diferencia de rendimiento porque la transferencia de calor desde un fluido al ciclo de refrigeración dentro de la bomba de calor es más fácil que desde el aire. Además, las ASHP requieren un ciclo de descongelación, que también influye en el rendimiento, como se verá más adelante.
Nota
Hay que tener cuidado al comparar los valores de SCOP de distintas tecnologías. La condición por defecto de B0/W35, en la que suele indicarse el rendimiento de la bomba de calor, suele subestimar el rendimiento en la vida real. Esto se debe a que, si el campo de sondeo está correctamente dimensionado, la temperatura media del fluido será por lo general muy superior a 0 °C.
En determinadas zonas, como las ciudades o las regiones afectadas por el cambio climático, la afirmación de que el suelo es por término medio más cálido que el aire no siempre es cierta. En la práctica, es posible que una ASHP alcance un SCOP medio superior al de una GSHP. Sin embargo, esto no significa necesariamente que su funcionamiento sea más barato.
Costes operativos
Hoy en día, cada vez más proveedores de electricidad se alejan de un único precio fijo de la electricidad para optar por tarifas dinámicas, en las que el precio puede variar de una hora a otra. Este cambio está impulsado por la creciente proporción de fuentes de electricidad intermitentes, como la energía solar y la eólica.
Los precios de la electricidad tienden a subir cuando la demanda es alta pero la producción baja. Esto suele ocurrir en invierno, cuando hay poca luz solar y periodos de baja velocidad del viento. En estas condiciones más frías, una ASHP consume más electricidad que una GSHP, lo que se traduce en mayores costes de electricidad.
En los periodos más suaves del año, como la primavera y el otoño, cuando la temperatura del aire es similar a la del suelo, la diferencia de eficiencia entre ambos sistemas puede desaparecer. Sin embargo, como los precios de la electricidad no son críticos durante estos periodos, esto pierde relevancia. Por lo tanto, aunque la eficiencia estacional parezca similar, el coste operativo de una GSHP será inferior porque su eficiencia sigue siendo mayor durante los periodos más críticos y costosos.
Ciclo de descongelación
Las ASHP extraen energía del aire. Sin embargo, cuando hace mucho frío, la humedad del aire puede congelarse en el intercambiador de calor y bloquearlo. Para evitarlo, las ASHP disponen de lo que se conoce como ciclos de descongelación. Durante estos ciclos, la unidad invierte periódicamente su funcionamiento para calentar el intercambiador de calor y derretir o evaporar la humedad congelada.
Este proceso de descongelación consume electricidad y puede dar lugar a una eficiencia estacional significativamente menor, especialmente en climas más fríos. Además, durante el ciclo de descongelación, la ASHP no puede suministrar calor al edificio. Por lo tanto, cualquier demanda de calor durante este periodo debe satisfacerse mediante un depósito de inercia, un calentador de resistencia eléctrica o una ASHP de reserva en el caso de los sistemas más grandes.
Dado que las GSHP funcionan con un fluido en su circuito primario, este problema de descongelación no se produce.
Nota
Este comportamiento no se aplica a las enfriadoras tradicionales y sólo afecta a las bombas de calor. Las enfriadoras solo liberan calor al ambiente, lo que significa que la temperatura en el intercambiador de calor siempre es superior a la del aire, por lo que no se produce congelación.
Refrigeración eficaz
Ya hemos mencionado la ventaja de disponer de almacenamiento estacional de energía térmica cuando se trabaja con una GSHP. Esto también contribuye a mejorar el rendimiento de la refrigeración.
En primer lugar, las bombas de calor geotérmicas ofrecen la posibilidad de utilizar la refrigeración pasiva. En este modo, no se requiere compresión y el fluido geotérmico frío se utiliza directamente para refrigerar el edificio. El resultado es lo que suele denominarse refrigeración casi gratuita. En climas más cálidos, sin embargo, también es posible recurrir a la refrigeración activa. En este caso, la bomba de calor utiliza el compresor para extraer calor del edificio, de forma similar al funcionamiento de una ASHP.
La principal diferencia es que, con una GSHP, este calor no se libera al medio ambiente, sino que se almacena en el suelo para su uso en invierno. Esto hace que el sistema en su conjunto sea más eficiente. Además, la eficiencia de la refrigeración activa con un sistema geotérmico suele ser mayor que con un sistema basado en el aire, ya que las temperaturas del suelo suelen ser inferiores a las del aire ambiente durante la temporada de refrigeración.
Nota
En la práctica, la refrigeración activa y pasiva pueden combinarse cuando se utiliza un sistema geotérmico. Más información sobre este tema aquí.
Vida útil y mantenimiento
Al calcular el coste total de propiedad (CTP) de una ASHP y una GSHP, es importante tener en cuenta la vida útil prevista y los costes de mantenimiento. Las ASHP suelen tener una vida útil de entre 15 y 20 años, mientras que las GSHP pueden durar unos 25 años.
La razón es sencilla. Las ASHP se instalan en el exterior y, por tanto, están expuestas a diversas condiciones meteorológicas, como el viento, la nieve, la lluvia y el granizo, que contribuyen a su desgaste. La congelación y descongelación repetidas de la humedad en el intercambiador de calor también acelera la degradación del material, lo que hace que este tipo de bomba de calor sea más propenso a las fugas. Además, cuando se instala una ASHP cerca de la costa, hay que tener en cuenta el aire agresivo y corrosivo que contiene sal marina, ya que puede acortar considerablemente la vida útil del sistema.
Cuando se tiene en cuenta esta vida útil más corta, el coste inicial potencialmente más elevado de una GSHP se reduce notablemente con el tiempo. Además, la parte geotérmica de la inversión puede durar fácilmente hasta 50 años, siempre que se diseñe con precisión (véase más adelante).
Estética y ruido
Dado que las GSHP se instalan totalmente en el interior, no hay ninguna unidad visible fuera del edificio. Aunque subjetivo, esto suele dar lugar a un aspecto más atractivo. Además de la ventaja estética, las GSHP también son más silenciosas que los sistemas de fuente de aire, ya que no necesitan ventilador para mover el aire sobre el intercambiador de calor.
Con el paso de los años, las ASHP se han vuelto razonablemente silenciosas, pero si vives en un barrio donde se utilizan muchas, el sonido puede seguir siendo perceptible.
Efecto isla de calor urbano
Las razones anteriores eran individuales: ¿por qué debería usted, como propietario de un edificio, elegir una GSHP? Además de estas ventajas personales, también hay ventajas colectivas, ya que elegir una GSHP es más beneficioso para la sociedad en su conjunto que una dependencia generalizada de las ASHP. El tema de la congestión de la red se tratará a continuación, pero antes centrémonos en el efecto isla de calor urbano.
El efecto de isla de calor urbano, como se ha mostrado anteriormente, es el fenómeno por el que los centros urbanos y los barrios densamente edificados experimentan temperaturas significativamente más altas que las zonas rurales, con diferencias de hasta 5 a 10 grados centígrados de media. Esto se debe principalmente a materiales como el hormigón y el pavimento, que retienen el calor y calientan gradualmente el entorno. Diversas fuentes de calor dentro de la ciudad, como los vehículos y las bombas de calor que funcionan en verano, contribuyen aún más a este problema.
Cuando cada propietario de una casa instala una ASHP, el aire exterior sólo aumentará de temperatura, haciendo que los veranos sean aún más calurosos y obligando a sus vecinos a instalar también un sistema de refrigeración, haciendo que el aire exterior sea aún más cálido. Además, como ahora hace más calor fuera, entra más calor en el edificio, por lo que la ASHP tiene que trabajar más, bombeando más calor al ambiente. Es un círculo vicioso negativo.
Con las GSHP (colectivas), este calor no se vierte al medio ambiente, sino que se almacena en el suelo. Esto puede ayudar a equilibrar las oscilaciones de temperatura del aire exterior, ya que de verano a invierno solo se utiliza la energía del suelo, en lugar de utilizar el aire de la ciudad como vertedero de calor o frío.
Nota
En las regiones donde hay una demanda importante de refrigeración, verter todo el calor exclusivamente en el suelo puede causar problemas a largo plazo. Por lo tanto, se aconseja utilizar alguna forma de regeneración para enfriar el suelo en invierno, de modo que pueda hacer frente a la mayor demanda de refrigeración en verano. Esto subraya la importancia de diseñar correctamente el campo de sondeo geotérmico.
Congestión de la red
Con el impulso hacia la electrificación de nuestras industrias, transportes y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, la red eléctrica está sometida a una presión considerable. Teniendo en cuenta el carácter intermitente de la producción de electricidad solar y eólica, algunas regiones pueden sufrir problemas de congestión, donde ya no es posible conectar nuevos edificios a la red eléctrica o donde la potencia máxima permitida es limitada.
La situación descrita se aplica a los Países Bajos. Como puede verse, ya hay bastantes regiones en las que existe un problema con la capacidad disponible en la red eléctrica.
A la hora de elegir entre una ASHP y una GSHP, este es un aspecto importante a tener en cuenta. En momentos críticos, como ya se ha comentado anteriormente, una GSHP es más eficiente que una ASHP, lo que reduce la demanda máxima de la red eléctrica y permite más conexiones. Como sociedad, si queremos avanzar hacia la calefacción y la refrigeración renovables, optar por una GSHP es más beneficioso que una ASHP si se tienen en cuenta las inversiones en infraestructura de red.
La importancia del diseño
Todas las ventajas mencionadas anteriormente, desde el almacenamiento estacional de energía térmica hasta los menores costes de funcionamiento de una GSHP, dependen por supuesto de una fuente geotérmica bien diseñada. Es importante simular utilizando las hipótesis correctas para la carga del edificio (puede encontrarse más información sobre este tema en aquí), para tener en cuenta las interferencias entre edificios cercanos, para modelizar con precisión la resistencia térmica de la perforación y el comportamiento hidráulico del campo de perforación (véase este artículo para más información) y, lo que es más importante, utilizar programas informáticos de última generación como GHEtool Cloud para simular su campo de sondeo.
Conclusión
En este artículo se han analizado las ventajas de elegir una bomba de calor geotérmica en lugar de una ASHP, a pesar del coste de inversión inicial, a veces más elevado. Se han considerado tanto las ventajas individuales, como la mayor vida útil, la mejora de la estética, la reducción del ruido y los menores costes de funcionamiento, como las ventajas sociales más amplias, como la mitigación del efecto isla de calor urbano y el alivio de la congestión de la red.
Es importante señalar que, para aprovechar plenamente el potencial de una GSHP, el campo de sondeo geotérmico debe diseñarse con precisión. Herramientas informáticas como GHEtool son esenciales para lograrlo.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.