Avaluació del rendiment de la bomba de calor geotèrmica
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 i/o dissipador de calor. En comparació amb els sistemes convencionals basats en la combustió o l'aire condicionat convencional, les bombes de calor geotèrmiques generalment ofereixen una major eficiència energètica, costos operatius més baixos i emissions de gasos d'efecte hivernacle més baixes. Tanmateix, aquests beneficis depenen en gran mesura del disseny, la qualitat de la instal·lació, les condicions geològiques locals i els mètodes operatius. Per tant, avaluar el rendiment d'una bomba de calor geotèrmica és crucial per garantir que el sistema funcioni com s'espera, detectar problemes aviat i optimitzar l'eficiència al llarg de la seva vida útil.
Principi de funcionament i components principals
En general, una caldera de calefacció central (GSHP) transfereix calor d'un lloc a un altre mitjançant un cicle de refrigeració. En el mode de calefacció, la calor s'extreu del terra a través d'un circuit de terra que conté un fluid (aigua o una barreja d'aigua i anticongelant). A continuació, un compressor augmenta la temperatura i la distribueix al sistema de distribució de calor de l'edifici. En el mode de refrigeració, el procés s'inverteix: la calor de l'interior es transfereix al terra.
Els components principals que determinen el rendiment inclouen: (1) unitat de bomba de calor (compressor, evaporador, condensador, vàlvula d'expansió), (2) intercanviador de calor geotèrmic (GHE) que pot ser un circuit horitzontal, vertical (perforació) o un sistema obert (que pren aigua subterrània i la retorna), (3) bomba de circulació de fluids de circuit geotèrmic, (4) sistema de distribució a l'edifici (per exemple, terra radiant, ventiloconvector o controlador d'aire) i (5) sistema de control i sensors.
Per què és necessària l'avaluació del rendiment?
Tot i que teòricament és eficient, a la pràctica hi ha molts factors que poden reduir el rendiment: una mida insuficient del pou, una mala qualitat de la lletada que provoca una transferència de calor subòptima, cabals de fluids inadequats, la presència d'aire a les canonades, incrustacions a l'intercanviador de calor o estratègies de control inadequades. L'avaluació del rendiment es duu a terme per respondre a preguntes clau: quanta energia elèctrica s'utilitza per produir una determinada capacitat de calefacció/refrigeració, si la temperatura del sòl experimenta una disminució/augment a llarg termini (deriva tèrmica) i si el sistema funciona de manera estable durant tota la temporada.
Indicadors clau de rendiment: COP i EER
Els paràmetres més comuns són el coeficient de rendiment (COP) per a la calefacció i el índex d'eficiència energètica (EER) per a la refrigeració. El COP es defineix com la relació entre l'energia calorífica subministrada a la càrrega (kW_th) i l'energia elèctrica consumida pel sistema (kW_e). Com més alt sigui el COP, més eficient serà el sistema. L'EER és un concepte similar per a la refrigeració, generalment expressat en Btu/Wh, però es pot convertir en un índex.
A l'hora d'avaluar, és important diferenciar entre el COP de la unitat (només el compressor i els components interns de la bomba de calor) i el COP del sistema (inclosa la bomba de circulació de circuit terrestre, el ventilador del controlador d'aire i components addicionals). En molts casos, el COP de la unitat sembla alt, però el COP del sistema disminueix significativament si la bomba de circulació està sobrecarregada o els seus controls són ineficients.
Mètodes de mesura i dades necessàries
L'avaluació del rendiment requereix mesures prou exhaustives per evitar resultats enganyosos. Les dades mínimes ideals inclouen:
1. Energia elèctrica: mesures de kWh per a compressors, bombes de circulació, ventiladors i el sistema total. L'ús de comptadors separats (submesura) ajuda a identificar els components residuals.
2. Temperatura d'entrada/sortida (T_in/T_out) al costat del bucle de terra i al costat de la càrrega (aigua o aire de calefacció/refrigeració), per calcular la transferència de calor.
3. Cabal de fluid al circuit de terra i al circuit de càrrega. Els errors en les mesures de cabal poden provocar càlculs erronis de capacitat.
4. Condicions de funcionament: punt de consigna del termòstat, mode de funcionament, durada de funcionament, cicle d'encesa i apagada i dades meteorològiques (temperatura de l'aire exterior, humitat).
5. Paràmetres del sòl (si estan disponibles): conductivitat tèrmica, capacitat calorífica volumètrica, profunditat de l'aigua subterrània i configuració del pou.
El càlcul de la capacitat calorífica en un bucle generalment utilitza l'equació bàsica:
Q = ṁ × c_p × (T_sortida − T_entrada) ,
on Q és la taxa de transferència de calor (kW), ṁ el cabal màssic del fluid i c_p la calor específica del fluid. A partir d'aquí, el COP del sistema es pot calcular com Q dividit per la potència elèctrica total.
Prova de resposta tèrmica
Per a sistemes de bucle vertical, sovint s'utilitza una prova de resposta tèrmica (TRT) abans o després de la instal·lació per avaluar la capacitat de transferència de calor del sòl i del pou de perforació. La TRT injecta calor a una velocitat especificada al pou de perforació i observa el canvi de temperatura del fluid al llarg del temps. Els resultats proporcionen una estimació de la conductivitat tèrmica efectiva del sòl i la resistència tèrmica del pou de perforació. Si la resistència del pou de perforació és alta, podria ser degut a una mala injecció, una instal·lació de canonades subòptima o buits. Aquesta informació és crucial per validar el disseny de la longitud del pou de perforació i evitar el dimensionament insuficient, que pot conduir a una reducció del rendiment durant les temporades punta.
Avaluació estacional i rendiment a llarg termini
El rendiment de la bomba de calor geotèrmica no es mesura només en una sola instantània. El sistema s'ha d'avaluar durant un període suficient per capturar les variacions en la càrrega i les condicions del sòl. Quan la calefacció hivernal (en regions de quatre estacions) o la refrigeració (en regions tropicals/urbanes) és dominant, es produeix un intercanvi de calor desequilibrat. Aquest desequilibri pot desencadenar canvis en la temperatura del sòl; per exemple, un predomini de refrigeració acumularà calor al sòl, augmentant la temperatura del bucle terrestre entrant i disminuint l'EER al llarg del temps.
Un indicador important a llarg termini és la tendència de la temperatura de l'aigua d'entrada (EWT) de la bomba de calor. Un augment sostingut de la EWT en un sistema dominant en refrigeració, o una disminució de la EWT en un sistema dominant en calefacció, indica una possible subcapacitat o càrrega desequilibrada al bucle de terra. Les solucions poden incloure pous addicionals, l'ús d'un sistema híbrid (per exemple, una torre de refrigeració o una caldera petita) o una estratègia de control per reduir les càrregues punta.
Factors operacionals que sovint redueixen el rendiment
Algunes causes comunes de baix rendiment que es troben durant l'avaluació són:
– Cabal inadequat: un cabal massa petit redueix la transferència de calor i augmenta les diferències de temperatura, mentre que un cabal massa gran fa que la bomba de circulació malgasti electricitat.
– Aire atrapat al bucle: provoca cavitació, soroll, fluctuacions de cabal i reducció del rendiment.
– Punt de consigna i control incorrectes: els cicles curts (encendre i apagar massa sovint) redueixen l'eficiència i acceleren el desgast del compressor.
– Barreja incorrecta del líquid anticongelant: una concentració massa alta augmenta la viscositat i la potència de la bomba; una concentració massa baixa comporta el risc de congelació a l'hivern.
– Rendiment de distribució a l'edifici: si el sistema de distribució (per exemple, fan coils bruts, filtres obstruïts o sistemes hidrònics desequilibrats) és deficient, la bomba de calor es veu obligada a funcionar en condicions no ideals.
Enfocaments d'avaluació: de l'auditoria a l'optimització
Una bona avaluació del rendiment normalment implica diverses etapes. Primer, una auditoria de documents i disseny: comprovar la capacitat de disseny, la longitud del pou, les especificacions de la bomba i les estratègies de control. Segon, una inspecció de camp: comprovar les condicions físiques, les fuites, l'aïllament de les canonades i la qualitat de la instal·lació. Tercer, es prenen mesures instrumentades durant diversos dies o setmanes en diverses condicions de càrrega. Quart, es realitza una anàlisi de dades per obtenir el COP/EER del sistema, el consum d'energia específic (kWh per m²) i identificar desviacions dels punts de referència. Finalment, s'implementa un pla d'acció: canvis de control, ajustos de cabal, manteniment de l'intercanviador de calor o modificacions del sistema.
L'optimització sovint genera estalvis significatius sense requerir una inversió significativa. Per exemple, substituir les bombes de circulació convencionals per bombes de velocitat variable (VFD), ajustar les corbes de control en funció de la temperatura de subministrament o reduir els cicles curts afegint dipòsits d'emmagatzematge als sistemes hidrònics.
Conclusió
L'avaluació del rendiment de les bombes de calor geotèrmiques és un procés tècnic que combina la mesura de l'energia, l'anàlisi tèrmica i la comprensió de la dinàmica del sòl i les càrregues dels edificis. Les mesures de rendiment com el COP i l'EER són importants, però més crucials són el COP general del sistema i l'estabilitat a llarg termini de la temperatura del bucle terrestre. Mitjançant un dimensionament adequat, proves de resposta tèrmica (quan sigui necessari) i una avaluació estacional, els propietaris i operadors poden garantir que la tecnologia realment ofereixi l'eficiència promesa. En definitiva, una bomba de calor geotèrmica correctament avaluada i optimitzada pot ser una solució fiable per reduir el consum d'energia, millorar el confort tèrmic i donar suport als objectius de descarbonització del sector de la construcció.
