Las bombas de calor geotérmicas (GHP, por sus siglas en ingles), a veces denominadas GeoExchange, bombas de calor acopladas a tierra, de fuente subterránea o de fuente de agua, se usan desde finales de la década de 1940. Utilizan la temperatura relativamente constante de la tierra como medio de intercambio en lugar de la temperatura del aire exterior.
Aunque en muchas partes del país se registran temperaturas estacionales extremas -desde un calor abrasador en verano hasta un frío bajo cero en invierno-, unos metros por debajo de la superficie terrestre el suelo se mantiene a una temperatura relativamente constante. Dependiendo de la latitud, la temperatura del suelo varía entre 7 °C (45 °F) y 21 °C (75 °F). Al igual que en una cueva, esta temperatura del suelo es más cálida que la del aire que hay sobre ella durante el invierno y más fría que la del aire en verano. La GHP aprovecha estas temperaturas más favorables para alcanzar un alto rendimiento mediante el intercambio de calor con la tierra a través de un intercambiador de calor subterráneo.
Como cualquier bomba de calor, las bombas de calor geotérmicas y las que funcionan con agua son capaces de calentar, refrigerar y, si están equipadas para ello, suministrar agua caliente a la casa. Algunos modelos de sistemas geotérmicos están disponibles con compresores de dos velocidades y ventiladores variables para un mayor confort y ahorro energético. En comparación con las bombas de calor aerotérmicas, las GHPs son más silenciosas, duran más, necesitan poco mantenimiento y no dependen de la temperatura del aire exterior.
Una bomba de calor de doble fuente combina una bomba de calor aerotérmica con una bomba de calor geotérmica. Estos aparatos combinan lo mejor de ambos sistemas. Las bombas de calor de doble fuente tienen índices de eficiencia más altos que las unidades de aire, pero no son tan eficientes como las unidades geotérmicas. La principal ventaja de los sistemas de doble fuente es que cuestan mucho menos de instalar que una sola unidad geotérmica y funcionan casi igual de bien.
Aunque el precio de instalación de un sistema geotérmico puede ser varias veces superior al de un sistema de fuente de aire de la misma capacidad de calefacción y refrigeración, los costes adicionales pueden recuperarse en ahorro de energía en un plazo de 5 a 10 años, dependiendo del coste de la energía y de los incentivos disponibles en su zona. La vida útil del sistema se estima en hasta 24 años para los componentes interiores y en más de 50 años para el circuito de tierra. Cada año se instalan en Estados Unidos unas 50.000 bombas de calor geotérmicas. Si desea más información, visite la Asociación Internacional de Bombas de Calor Geotérmicas.
Vea (en inglés) cómo las bombas de calor geotérmicas calientan y enfrían los edificios concentrando el calor existente de forma natural en el interior de la tierra: una fuente de energía limpia, fiable y renovable.
Tipos de sistemas de bombas de calor geotérmicas
Existen cuatro tipos básicos de sistemas de circuito de tierra. Tres de ellos --horizontal, vertical y estanque/lago-- son sistemas de circuito cerrado. El cuarto tipo de sistema es la opción de circuito abierto. Varios factores, como el clima, las condiciones del suelo, el terreno disponible y los costes locales de instalación, determinan cuál es el mejor para cada emplazamiento. Todos estos enfoques pueden usarse para aplicaciones en edificios residenciales y comerciales.
Sistemas de circuito cerrado
La mayoría de las bombas de calor geotérmicas de circuito cerrado hacen circular una solución anticongelante a través de un circuito cerrado -- generalmente fabricado con una tubería de plástico de alta densidad -- que se entierra en el suelo o se sumerge en agua. Un intercambiador de calor transfiere el calor entre el refrigerante de la bomba de calor y la solución anticongelante del circuito cerrado.
Un tipo de sistema de circuito cerrado, llamado de intercambio directo, no utiliza intercambiador de calor y, en su lugar, bombea el refrigerante a través de tubos de cobre enterrados en el suelo en configuración horizontal o vertical. Los sistemas de intercambio directo requieren un compresor más grande y funcionan mejor en suelos húmedos (a veces requieren riego adicional para mantener el suelo húmedo), pero debe evitar instalarlos en suelos que puedan resultar corrosivos para la tubería de cobre. Dado que estos sistemas hacen circular el refrigerante por el suelo, es posible que las normativas medioambientales locales prohíban su uso en algunos lugares.
Horizontal
Este tipo de instalación suele ser el más económico para las instalaciones residenciales, sobre todo para las nuevas construcciones en las que se dispone de suficiente terreno. Requiere zanjas de al menos cuatro pies de profundidad. Los diseños más comunes usan dos tuberías, una enterrada a 1,80 m y la otra a 1,20 m, o dos tuberías colocadas una al lado de la otra a 1,50 m de profundidad en una zanja de 1,20 m de ancho. El método Slinky™ de colocación de tuberías en forma de circuito permite colocar más tuberías en una zanja más corta, lo que reduce los costes de instalación y hace posible la instalación horizontal en zonas en las que no sería posible con las aplicaciones horizontales convencionales.
Vertical
Los edificios comerciales grandes y las escuelas suelen usar sistemas verticales porque la superficie de terreno necesaria para los circuitos horizontales sería prohibitiva. Los circuitos verticales también son utilizados cuando el suelo es muy poco profundo para excavar zanjas, y minimizan la alteración del paisaje existente. Para un sistema vertical, se perforan agujeros (de aproximadamente cuatro pulgadas de diámetro) a unos 20 pies de distancia y de 100 a 400 pies de profundidad. Dos tuberías, conectadas en la parte inferior con un codo en forma de U para formar un circuito, se introducen en el agujero y se rellenan con grout o mortero para mejorar su rendimiento. Los circuitos verticales se conectan con tuberías horizontales (es decir, colectores), se colocan en zanjas y se conectan a la bomba de calor del edificio.
Estanque/lago
Si el lugar dispone de una masa de agua adecuada, ésta puede ser la opción más económica. Se tiende una tubería de suministro bajo tierra desde el edificio hasta el agua y se enrolla en círculos a una profundidad mínima de ocho pies bajo la superficie para evitar la congelación. Los rollos sólo deben colocarse en una fuente de agua que cumpla los requisitos mínimos de volumen, profundidad y calidad.
Sistema de circuito abierto
Este tipo de sistema utiliza agua de pozo o de una masa superficial como fluido de intercambio de calor que circula directamente por el sistema de GHP. Una vez que ha circulado por el sistema, el agua vuelve al suelo a través del pozo, de un pozo de recarga o de una descarga superficial. Obviamente, esta opción sólo es práctica cuando existe un suministro adecuado de agua relativamente limpia y se cumplen todos los códigos y reglamentos locales relativos a la descarga de aguas subterráneas.
Sistemas híbridos
Los sistemas híbridos que utilizan varios recursos geotérmicos diferentes, o una combinación de un recurso geotérmico con aire exterior (es decir, una torre de refrigeración), son otra opción de tecnología. Los sistemas híbridos son especialmente eficaces cuando las necesidades de refrigeración son significativamente mayores que las de calefacción. Cuando la geología local lo permite, el "pozo de columna vertical" es otra opción. En esta variación de un sistema de circuito abierto, se perforan uno o varios pozos verticales profundos. El agua se extrae de la parte inferior de una columna estacionaria y se devuelve a la parte superior. Durante los periodos de máxima calefacción y refrigeración, el sistema puede purgar una parte del agua de retorno en lugar de reinyectarla toda, provocando la entrada de agua a la columna desde el acuífero circundante. El ciclo de purga enfría la columna durante el rechazo de calor, la calienta durante la extracción de calor y reduce la profundidad de perforación necesaria.