Disseny i eficiència de sistemes de bombes de calor geotèrmiques
Una bomba de calor geotèrmica (PCG) és una tecnologia de calefacció i refrigeració d'edificis que utilitza la temperatura estable del sòl com a font o dissipador de calor. En moltes regions, la temperatura del sòl a una certa profunditat es manté relativament constant durant tot l'any en comparació amb l'aire exterior. Això permet que les bombes de calor geotèrmiques funcionin de manera més eficient que els sistemes de climatització convencionals, especialment en climes amb diferències estacionals pronunciades. Aquest article tracta els principis de funcionament, les opcions de disseny, els factors d'eficiència i les consideracions pràctiques per garantir un sistema realment eficient energèticament i fiable.
El principi de funcionament d'una bomba de calor geotèrmica
Essencialment, una bomba de calor és un "transferent" de calor, no un "creador". El sistema transfereix calor d'una font de temperatura més baixa a una font de temperatura més alta mitjançant un compressor i un refrigerant. En el mode de calefacció, la calor s'extreu del terra (mitjançant fluid circulant al circuit terrestre), després la seva temperatura augmenta i es distribueix per tot l'edifici. En el mode de refrigeració, la transferència de calor s'inverteix: la calor de l'interior s'elimina i es dissipa al terra.
La base de l'eficiència de la bomba de calor termostàtica (GSHP) rau en temperatures del sòl més estables. Quan la temperatura de l'aire exterior és molt freda, el sistema aire-aire (font d'aire) ha d'extreure calor de l'aire fred, obligant el compressor a treballar més. Per contra, el sòl a una profunditat de diversos metres roman relativament calent, cosa que resulta en un augment de temperatura de funcionament més petit, reduint el consum d'electricitat del compressor.
Configuració del disseny del sistema: bucle de terra
L'element de disseny més crucial en una bomba de calor termostàtica és l'intercanviador de calor terrestre, normalment una canonada de polietilè d'alta densitat (HDPE) que forma un circuit tancat o un sistema obert. L'elecció de la configuració està influenciada per la superfície del terreny, les condicions geològiques, la disponibilitat d'aigües subterrànies i la capacitat de calefacció i refrigeració necessària.
1) Sistema de circuit tancat
a. Bucle horitzontal
Les canonades s'enterren horitzontalment a una profunditat d'aproximadament 1–2 metres (segons el clima i les regulacions). Els avantatges inclouen costos de perforació més baixos, idoneïtat per a grans àrees i relativa facilitat d'operació. Els desavantatges inclouen la necessitat de grans àrees i un major impacte en el rendiment a causa de les fluctuacions estacionals de la temperatura superficial del sòl. Els sòls secs o rocosos poden reduir les capacitats de dissipació/absorció de calor.
b. Bucle vertical
La canonada s'insereix en un pou de perforació vertical (per exemple, de desenes a centenars de metres), generalment en una configuració de corba en U. Això és habitual en terrenys limitats a les zones urbanes i proporciona temperatures del sòl més estables. L'inconvenient són els costos inicials més elevats a causa de la necessitat de perforar i rejuntar (omplir amb material conductor per garantir un bon contacte tèrmic amb el sòl/formació rocosa). Tanmateix, el rendiment tendeix a ser consistent i la petjada del terreny és mínima.
c. Bucle d'estany/llac
Si es disposa d'un estany o llac de prou profunditat, es pot submergir la bobina del tub. Els costos poden ser inferiors als de la perforació i l'excel·lent transferència de calor de l'aigua millora el rendiment. Les limitacions inclouen la necessitat d'una massa d'aigua adequada, permisos ambientals i protecció contra danys mecànics o canvis en la qualitat de l'aigua.
2) Sistema de bucle obert
Aquest sistema bomba aigua subterrània o superficial, extreu/afegeix calor a través d'un intercanviador de calor i després descarrega l'aigua de nou a un pou de recàrrega o massa d'aigua. L'eficiència pot ser alta a causa de l'intercanvi directe de calor amb l'aigua, però el disseny és més complex a causa dels requisits de permisos, la possible incrustació/corrosió, els riscos de contaminació i la disponibilitat d'un flux d'aigua estable. No totes les ubicacions són adequades per a aquesta opció.
Components clau i decisions de disseny
A més del circuit de terra, la bomba de calor gasosa (GSHP) consta d'una unitat de bomba de calor (compressor, evaporador-condensador, vàlvula d'expansió), una bomba de circulació de fluids del circuit de terra, un sistema de distribució dins de l'edifici i controls.
1. Fluid de bucle de terra
L'aigua i l'anticongelant (propilenglicol o etanol) generalment es barregen en zones amb risc de congelació. L'elecció de la concentració d'anticongelant afecta la viscositat, els requisits de potència de la bomba i la capacitat de transferència de calor.
2. Bomba de circulació i disseny hidràulic
El disseny de les canonades i del col·lector determina la pèrdua de càrrega. Si les canonades són massa petites o el traçat és enrevessat, la potència de la bomba serà alta, cosa que reduirà l'eficiència general del sistema. Per tant, els dissenyadors han d'equilibrar el cost de les canonades amb el consum d'energia de la bomba al llarg de la seva vida útil.
3. Sistema de distribució de calor/fred a l'edifici
Les bombes de calor termostàtiques funcionen millor en sistemes de baixa temperatura de l'aigua, com ara terres radiants o ventiloconvectors amb temperatures de subministrament moderades. Per a l'escalfament d'aigua a alta temperatura (per exemple, radiadors més antics), les bombes de calor poden funcionar a una temperatura d'elevació elevada, cosa que redueix el COP. Ajustar el disseny de distribució sovint és clau per a l'estalvi d'energia.
4. Control operatiu i estratègia
Un bon control evita cicles curts (encesa i apagada freqüents) i optimitza la corba de consigna. Els termostats multietapa, els dipòsits d'emmagatzematge (per a sistemes hidrònics) i els ajustos de velocitat variable en compressors o bombes poden augmentar l'eficiència i el confort.
Comprensió de l'eficiència: COP, EER i SPF
L'eficiència de la bomba de calor sovint s'expressa com:
– COP (coeficient de rendiment) per al mode de calefacció: la relació entre l'energia calorífica produïda i l'electricitat utilitzada. Un COP de 4 significa que cada kWh d'electricitat produeix 4 kWh de calor.
– EER (índex d'eficiència energètica) per al mode de refrigeració.
– SPF/SCOP (factor de rendiment estacional): eficiència estacional que té en compte les variacions de càrrega, temperatura i funcionament real. Aquest indicador sovint és més rellevant que el COP de laboratori.
En les centrals hidroelèctriques de calefacció per aigua (GSHP), el COP sol ser alt perquè la temperatura de la font (sòl) és estable. Tanmateix, l'experiència final de l'usuari depèn en gran mesura del disseny del bucle, la qualitat de la instal·lació i la compatibilitat amb les càrregues de l'edifici.
El factor més determinant per a l'eficiència
1. Condicions tèrmiques del sòl i geologia
La conductivitat tèrmica del sòl/roca, la humitat i la presència d'aigües subterrànies influeixen significativament en la transferència de calor. El sòl humit és generalment millor que el sòl sec. Certes formacions rocoses poden ser altament conductores, cosa que beneficia els dissenys verticals.
2. Mida correcta del bucle de terra (dimensionament)
Un bucle massa petit pot provocar fluctuacions extremes de la temperatura del fluid, una disminució del COP i el risc que el sistema no arribi a la capacitat màxima. Un bucle massa gran augmenta els costos inicials. El dimensionament s'ha de basar en càlculs anuals de càrrega màxima i energia, no en estimacions aproximades.
3. Adaptació de la capacitat de la unitat a la càrrega de l'edifici
Les unitats sobredimensionades tendeixen a tenir cicles curts, cosa que redueix l'eficiència i accelera el desgast. Les unitats de mida insuficient sovint funcionaran a càrregues elevades o requeriran calefacció auxiliar, cosa que augmentarà els costos operatius.
4. Potència de la bomba de circulació (potència paràsita)
Sovint es passa per alt el consum d'electricitat de les bombes de fluids i els bufadors pot reduir l'eficiència general del sistema. Un bon disseny hidràulic, unes canonades adequades i unes bombes d'alta eficiència són essencials per mantenir la SPF.
5. Qualitat de la instal·lació i del rejuntat (per a verticals)
Un bon contacte tèrmic entre la canonada i el terra és essencial. La lletada conductora redueix la resistència tèrmica. Una instal·lació incorrecta, fuites o connexions deficients afectaran el rendiment i augmentaran el risc de fallada.
6. Integració amb sistemes d'aigua calenta sanitària (ACS)
Algunes calderes tèrmiques d'escalfament d'aigua potable poden escalfar aigua domèstica mitjançant un atemperador o un mode dedicat. Això millora l'ús de l'energia, especialment quan el sistema de refrigeració malgasta calor que es podria "aprofitar" per a aigua calenta.
Consideracions econòmiques i de sostenibilitat
El cost inicial d'una caldereria termostàtica generalment és més alt que el d'un aire condicionat o una caldera convencionals a causa del moviment de terres/perforació que implica. Tanmateix, els costos operatius poden ser més baixos i més estables. Una bona anàlisi de viabilitat considera:
– preus de l'electricitat i dels combustibles alternatius,
– hores de funcionament anuals (perfil de càrrega),
– incentius o crèdits fiscals (si n'hi ha),
– costos de manteniment i vida útil dels equips,
– valor de confort i reducció d'emissions.
Des del punt de vista ambiental, les centrals hidroelèctriques gasoses (GSHP) poden reduir significativament les emissions, sobretot si l'electricitat prové de fonts baixes en carboni. A més, no hi ha combustió in situ, cosa que redueix la contaminació atmosfèrica local i els riscos de seguretat relacionats amb el gas.
Millors pràctiques de disseny
Perquè el sistema sigui eficaç, algunes pràctiques habituals recomanades són:
1. dur a terme una auditoria energètica de l'edifici i millorar l'envoltant de l'edifici (aïllament, fuites d'aire) abans de determinar la capacitat,
2. Utilitzeu els càlculs correctes de càrrega de calefacció i refrigeració, no només la superfície de l'edifici,
3. Seleccioneu la configuració del bucle segons el terreny i la geologia i realitzeu proves de resposta tèrmica (per a grans projectes).
4. prioritzar la distribució de baixa temperatura (terra radiant/serpentí adequat),
5. optimitzar la hidràulica per minimitzar la potència de la bomba,
6. utilitzar controls que evitin els cicles curts i admetin un funcionament variable.
Tancament
El disseny i l'eficiència d'un sistema de bomba de calor geotèrmica es determinen en gran mesura per l'adequació de tres factors: les característiques del sòl, els requisits de càrrega de l'edifici i la qualitat de l'enginyeria de circuit i distribució dins de l'edifici. Quan es dissenyen correctament, les bombes de calor geotèrmiques ofereixen una alta eficiència, un confort estable i el potencial d'estalvi de costos energètics a llarg termini. Enmig de la necessitat de reduccions d'emissions i l'electrificació de la calefacció, les bombes de calor geotèrmiques s'estan convertint en una de les opcions més atractives per als edificis moderns, ja siguin residencials, comercials o institucionals, sempre que el seu disseny sigui rigorós i basat en dades.
