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7/26/2019 Uso Directo de Recurso Geotermicos
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Boletn IIE
octubre-diciembre-2011
Breves tcnicas
Uso directo de la energa geotrmica en acondicionamiento
de espacios: Bombas de Calor Geotrmicas
Rosa Mara Barragn Reyes, Vctor Manuel Arellano Gmez y Alfonso
Garca Gutirrez[[email protected], [email protected] y
[email protected]]
Introduccin
Entre la diversidad de usos directos de la geotermia, reportados
en la literatura (inverna-
deros, balneologa, piscicultura, procesos industriales,
recuperacin de sales, entre otros),
se destaca su uso para el acondicionamiento de espacios mediante
las Bombas de Calor
Geotrmicas (BCG), las cuales representan el 49% del uso directo
de la energa geotr-
mica, con una capacidad instalada mundial de 35,236 MWt a nes de
2009. Mientras que
la capacidad documentada en 2005 fue de 15,384 MWt, lo que
demuestra su impresio-
nante tasa de crecimiento.
Las BCG son mquinas trmicas capaces de utilizar el gradiente
trmico entre el suelo (2
a 3 m de profundidad) o el agua subterrnea (~10 m de
profundidad) y el ambiente para
el acondicionamiento (calentamiento o enfriamiento) de edicios e
instalaciones. Una
BCG es capaz de transportar el calor en dos direcciones, de
manera que en invierno se
usa el modo de calentamiento, es decir, el calor se extrae del
suelo y se libera en el espacio
a acondicionar, mientras que en verano el calor se extrae del
espacio a acondicionar y
se libera en el suelo, siendo este modo de operacin de tipo aire
acondicionado. Para
su operacin, las BCG pueden acoplarse directamente al suelo o
pueden utilizar comofuente agua subterrnea.
Uso de energa en acondicionamiento de espacios
Durante 2004 y 2005, aproximadamente
el 35% de la energa total consumida en el
mundo se utiliz para el acondicionamiento
trmico e iluminacin de edicios, centros
comerciales, espacios y vivienda. En el caso
de Mxico, del total de energa consumidaen 2008 el 18% la consumi
el sector de
edicaciones, compuesto por los sectores
residencial, comercial y pblico. En general,
el pas disfruta de climas moderados en
donde prcticamente no se requiere el
acondicionamiento de espacios, predomi-
nando el clima clido en ms del 70% del
territorio, en donde sera deseable el uso de
aire acondicionado en periodos de tempe-
raturas extremas. En algunas regiones de
la zona norte del pas el clima es extre-
moso y desrtico, con veranos largos e
inviernos cortos, por lo que el acondi-
cionamiento de viviendas es una prctica
usual. Sin embargo, se utilizan tecnologasque muchas veces se
basan en equipos
convencionales con un bajo rendimiento
energtico y que impactan negativamente la
economa de los usuarios. Tambin existen
regiones montaosas donde el clima predo-
minante es fro, por lo que es necesario
acondicionar los espacios mediante cale-
faccin, al menos durante las temporadas
crticas para garantizar el confort.
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Breves tcnicasUso directo de la energa geotrmica en
acondicionamiento de espacios
En Mxico, el sector de edicaciones ha
mostrado un crecimiento muy impor-
tante en la ltima dcada. Para optimizar
el uso de energa este sector se ha plan-
teado: a) disminuir la demanda de energa
convencional, b) reducir los impactos
ambientales y c) mantener condiciones
interiores confortables con respecto a
cambios en la temperatura exterior. Para
lograr este ltimo objetivo, las necesi-
dades tanto de aire acondicionado como
de calefaccin en el pas implicaran un
mayor consumo de energa si se conti-
nan utilizando equipos convencionales
para el acondicionamiento de espacios.
Sin embargo, en el primer objetivo se
plantea disminuir la demanda de energa
convencional, por lo que es indispensablebuscar alternativas que
hagan un uso ms
eciente de la energa.
En este contexto, las BCG constituyen una alternativa
interesante, ya que se trata de unatecnologa comercial que tiene un
costo competitivo, especialmente cuando se usan tanto
para enfriamiento como para calefaccin, adems de los benecios
que aportan en cuanto
a eciencia energtica y mitigacin del deterioro ambiental.
Dependiendo de su diseo y aplicacin las BCG reducen el consumo
de energa entre un
30% a 60% con respecto a los sistemas de enfriamiento y
calefaccin convencionales, y
pueden instalarse prcticamente en cualquier sitio. En Estados
Unidos, Canad, China y
algunos pases de Europa se ha tenido la mayor tasa de
crecimiento en el uso de BCG,
con un nmero estimado de 2.94 millones de unidades en
operacin.
Figura 1.Esquema de bombas de calor geotrmicas para enfriamiento
y calefaccin.
La fuente de calor puede ser el subsuelo o agua subterrnea
somera. En las BCG de
circuito cerrado se muestran dos de los posibles arreglos del
intercambiador de calor:
vertical y horizontal. En el intercambiador de calor se circula
agua y, dependiendo de
las condiciones de trabajo, se puede aadir anticongelante. En
las BCG de circuito
abierto se muestra el arreglo consistente en dos pozos, donde el
agua extrada del
primer pozo transere calor a la aplicacin y se desecha en el
segundo pozo. El agua
de desecho puede disponerse en ros o lagos, dependiendo del
sitio.
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Breves tcnicas
Principios de operacin de las BCG
Para que una bomba de calor aumente la
temperatura de una fuente de energa de
baja calidad a un nivel ms til, es nece-
sario aplicar al sistema una cantidad rela-
tivamente pequea de energa de alta
calidad, la cual puede ser en forma de
energa mecnica, elctrica o calorca, a
una temperatura relativamente alta.
Las BCG utilizan el recurso geotrmico en
un intervalo de temperaturas de entre 5C y
30C, su operacin puede ser para calefac-
cin, cuando remueven calor de una fuente
de baja temperatura y lo depositan en la
aplicacin a una temperatura mayor, y paraenfriamiento, cuando
remueven calor de
una fuente de alta temperatura y lo depo-
sitan a una temperatura menor en la apli-
cacin. En ambos casos la fuente consiste
de un recurso geotrmico a temperatura
constante, ste se encuentra ya sea directa-
mente bajo el piso, es decir, en el suelo (2 m
a 3 m de profundidad, sistemas de circuito
cerrado) o en el agua subterrnea (~10 m
de profundidad, sistemas de circuito
abierto) (gura 1). Para tener acceso a este
recurso y dependiendo del tipo de BCG
(de circuito cerrado o abierto), es nece-
sario excavar un rea especca de terreno
para colocar los tubos intercambiadores
de calor o perforar al menos un pozo. Por
esta razn, las BCG presentan un costo
inicial ms alto que las que emplean aire
del ambiente como fuente de calor. Sin
embargo, con respecto a stas, las BCG
tienen importantes ventajas: consumen
menos energa para operar, usan un recurso
de temperatura constante, no requieren
un suplemento adicional de energa
para mantener acondicionado el espacio
durante temperaturas exteriores extremas,
usan menos refrigerante, son ms simples
en diseo y mantenimiento, entre otras.
Como desventajas de las BCG con
respecto a las bombas de calor basadas en
aire se tienen: la falta de experiencia en su
diseo e instalacin y la falta de incentivos
gubernamentales para estimular su uso.
Las BCG podran probarse en Mxico,
ya que favoreceran ahorros energticos
signicativos debido a su alta eciencia
y versatilidad. Un clculo preliminar esti-
mado por la Gerencia de Geotermia del
IIE para una aplicacin prctica en Mexi-
cali, B. C., muestra que las BCG acopladas
al suelo (circuito cerrado) con arreglo
horizontal son apropiadas para satisfacer
los requerimientos de calefaccin y aire
acondicionado. Asimismo, de acuerdo
con el estudio, el uso de BCG permitira
disminuir costos de operacin, alcanzando
importantes ahorros econmicos anuales,
en comparacin con el uso de equiposconvencionales. Adems, el
perodo de
retorno del capital para esta aplicacin
especca se consider atractivo, menor
de 5 aos. La siguiente etapa consiste en
desarrollar proyectos demostrativos en el
corto plazo, tanto para que la tecnologa
de las BCG se conozca, as como para
evaluar su comportamiento a partir de
datos de operacin.
