Una bomba de calor geotérmica (también llamada bomba de calor geotérmica ) es un sistema de calefacción/refrigeración para edificios que utiliza un tipo de bomba de calor para transferir calor hacia o desde el suelo, aprovechando la relativa constancia de las temperaturas de la Tierra a lo largo de las estaciones. Las bombas de calor geotérmicas (GSHP, por sus siglas en inglés), o bombas de calor geotérmicas (GHP, por sus siglas en inglés), como se las denomina comúnmente en América del Norte, se encuentran entre las tecnologías más eficientes energéticamente para proporcionar calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC , por sus siglas en inglés) y calentamiento de agua , ya que utilizan mucha menos energía de la que se puede lograr quemando un combustible en una caldera/horno o mediante el uso de calentadores eléctricos resistivos .
La eficiencia se expresa como un coeficiente de rendimiento (CoP), que suele estar en el rango de 3 a 6, lo que significa que los dispositivos proporcionan de 3 a 6 unidades de calor por cada unidad de electricidad utilizada. Los costos de instalación son más altos que los de otros sistemas de calefacción, debido a la necesidad de instalar circuitos de tierra en áreas extensas o perforar pozos, y por esta razón, la fuente de tierra suele ser adecuada cuando se construyen nuevos bloques de pisos. [1] De lo contrario, a menudo se utilizan bombas de calor de fuente de aire .
Las bombas de calor geotérmicas aprovechan la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura a distintas profundidades del suelo.
Las propiedades térmicas del suelo cerca de la superficie [2] [3] se pueden describir de la siguiente manera:
La "profundidad de penetración" [3] se define como la profundidad a la cual la variable temperatura es menor que el 0,01 de la variación en la superficie, y ésta depende del tipo de suelo:
La bomba de calor fue descrita por Lord Kelvin en 1853 y desarrollada por Peter Ritter von Rittinger en 1855. Heinrich Zoelly había patentado la idea de utilizarla para extraer calor del suelo en 1912. [4]
Después de experimentar con un congelador, Robert C. Webber construyó la primera bomba de calor de fuente terrestre de intercambio directo a fines de la década de 1940; sin embargo, las fuentes no están de acuerdo en cuanto a la cronología exacta de su invención [4] [5] El primer proyecto comercial exitoso se instaló en el Commonwealth Building (Portland, Oregon) en 1948, y ha sido designado Monumento Histórico Nacional de Ingeniería Mecánica por ASME . [6] El profesor Carl Nielsen de la Universidad Estatal de Ohio construyó la primera versión residencial de circuito abierto en su casa en 1948. [7]
Como resultado de la crisis del petróleo de 1973 , las bombas de calor geotérmicas se hicieron populares en Suecia y desde entonces su aceptación en todo el mundo ha ido creciendo lentamente. Los sistemas de circuito abierto dominaron el mercado hasta que el desarrollo de las tuberías de polibutileno en 1979 hizo que los sistemas de circuito cerrado fueran económicamente viables. [6]
En 2004, se instalaron más de un millón de unidades en todo el mundo, que proporcionan 12 GW de capacidad térmica con una tasa de crecimiento del 10% anual. [8] Cada año (en 2011/2004, respectivamente), se instalan alrededor de 80.000 unidades en los EE. UU. [9] y 27.000 en Suecia. [8] En Finlandia, una bomba de calor geotérmica fue la opción de sistema de calefacción más común para las nuevas casas unifamiliares entre 2006 y 2011, con una participación de mercado superior al 40%. [10]
Una bomba de calor es la unidad central de calefacción y refrigeración del edificio. Suele presentarse en dos variantes principales:
Las bombas de calor de líquido a agua (también llamadas agua a agua ) son sistemas hidrónicos que transportan calefacción o refrigeración a través del edificio mediante tuberías hasta radiadores convencionales , calefacción por suelo radiante , radiadores de zócalo y tanques de agua caliente . Estas bombas de calor también son las preferidas para calentar piscinas. Las bombas de calor normalmente solo calientan el agua a unos 55 °C (131 °F) de manera eficiente, mientras que las calderas suelen funcionar a 65–95 °C (149–203 °F) [ cita requerida ] . El tamaño de los radiadores diseñados para las temperaturas más altas alcanzadas por las calderas puede ser demasiado pequeño para su uso con bombas de calor, lo que requiere su sustitución por radiadores más grandes cuando se moderniza una casa de caldera a bomba de calor. Cuando se utiliza para refrigeración, la temperatura del agua circulante normalmente debe mantenerse por encima del punto de rocío para garantizar que la humedad atmosférica no se condense en el radiador.
Las bombas de calor de líquido a aire (también llamadas de agua a aire ) generan aire forzado y se utilizan con mayor frecuencia para reemplazar los hornos de aire forzado y los sistemas de aire acondicionado central heredados. Existen variaciones que permiten sistemas divididos, sistemas de alta velocidad y sistemas sin conductos. Las bombas de calor no pueden alcanzar una temperatura de fluido tan alta como un horno convencional, por lo que requieren un mayor caudal de aire para compensar. Al modernizar una residencia, es posible que haya que agrandar los conductos existentes para reducir el ruido del mayor flujo de aire.
Las bombas de calor geotérmicas emplean un intercambiador de calor terrestre en contacto con el suelo o el agua subterránea para extraer o disipar el calor. Un diseño incorrecto puede provocar que el sistema se congele después de varios años o que su rendimiento sea muy ineficiente; por lo tanto, un diseño preciso del sistema es fundamental para que el sistema funcione correctamente [11].
Las tuberías para el circuito de tierra suelen estar hechas de polietileno de alta densidad y contienen una mezcla de agua y anticongelante ( propilenglicol , alcohol desnaturalizado o metanol ). El monopropilenglicol es el que tiene menos potencial de causar daños cuando se filtra al suelo y, por lo tanto, es el único anticongelante permitido en fuentes subterráneas en un número cada vez mayor de países europeos.
Un campo de circuito cerrado horizontal está compuesto por tuberías dispuestas en un plano en el suelo. Se cava una zanja larga , más profunda que la línea de congelación , y se extienden bobinas en forma de U o sinuosas dentro de la misma zanja. Los intercambiadores de calor horizontales poco profundos de 3 a 8 pies (0,91 a 2,44 m) experimentan ciclos de temperatura estacionales debido a las ganancias solares y las pérdidas de transmisión al aire ambiente a nivel del suelo. Estos ciclos de temperatura se retrasan con respecto a las estaciones debido a la inercia térmica, por lo que el intercambiador de calor recolectará el calor depositado por el sol varios meses antes, mientras que se verá agobiado a fines del invierno y la primavera, debido al frío invernal acumulado. Los sistemas en suelo húmedo o en agua son generalmente más eficientes que los circuitos de suelo más secos, ya que el agua conduce y almacena el calor mejor que los sólidos en la arena o el suelo. Si el suelo es naturalmente seco, se pueden enterrar mangueras de remojo con el circuito de suelo para mantenerlo húmedo.
Un sistema vertical consiste en una serie de pozos de unos 50 a 400 pies (15–122 m) de profundidad equipados con tuberías en forma de U a través de las cuales circula un fluido portador de calor que absorbe (o descarga) calor desde (o hacia) el suelo. [12] [13] Los pozos están espaciados al menos 5-6 m entre sí y la profundidad depende de las características del terreno y del edificio. Alternativamente, las tuberías pueden integrarse con los pilotes de cimentación utilizados para sostener el edificio. Los sistemas verticales dependen de la migración de calor de la geología circundante, a menos que se recarguen durante el verano y en otros momentos en que haya calor excedente disponible. Los sistemas verticales se utilizan típicamente cuando no hay suficiente tierra disponible para un sistema horizontal.
Los pares de tuberías en el pozo se unen con un conector cruzado en forma de U en la parte inferior del pozo o comprenden dos tubos de polietileno de alta densidad (HDPE) de diámetro pequeño fusionados térmicamente para formar una curva en forma de U en la parte inferior. [14] El espacio entre la pared del pozo y los tubos en forma de U generalmente se rellena completamente con material de lechado o, en algunos casos, se llena parcialmente con agua subterránea. [15] A modo de ejemplo, una casa unifamiliar que necesita 10 kW (3 toneladas ) de capacidad de calefacción podría necesitar tres pozos de 80 a 110 m (260 a 360 pies) de profundidad. [16]
Como alternativa a la excavación de zanjas, se pueden colocar los bucles mediante una miniperforación direccional horizontal (mini-HDD). Esta técnica permite colocar tuberías debajo de patios, caminos de acceso, jardines u otras estructuras sin perturbarlas, con un coste entre el de la excavación de zanjas y la perforación vertical. Este sistema también se diferencia de la perforación horizontal y vertical en que los bucles se instalan desde una cámara central, lo que reduce aún más el espacio de tierra necesario. La perforación radial suele instalarse de forma retroactiva (después de que se ha construido la propiedad) debido a la naturaleza pequeña del equipo utilizado y la capacidad de perforar debajo de las construcciones existentes.
En un sistema de circuito abierto (también llamado bomba de calor de agua subterránea), el circuito secundario bombea agua natural de un pozo o cuerpo de agua a un intercambiador de calor dentro de la bomba de calor. Dado que la química del agua no está controlada, es posible que sea necesario proteger el aparato de la corrosión mediante el uso de diferentes metales en el intercambiador de calor y la bomba. La cal puede ensuciar el sistema con el tiempo y requerir una limpieza periódica con ácido. Esto es mucho más un problema con los sistemas de refrigeración que con los de calefacción. [17] Un sistema de pozo de columna vertical es un tipo especializado de sistema de circuito abierto en el que el agua se extrae del fondo de un pozo de roca profundo, pasa a través de una bomba de calor y regresa a la parte superior del pozo. [18] Un número cada vez mayor de jurisdicciones han prohibido los sistemas de circuito abierto que drenan a la superficie porque pueden drenar los acuíferos o contaminar los pozos. Esto obliga al uso de pozos de inyección más respetuosos con el medio ambiente o un sistema de circuito cerrado.
Un estanque cerrado en circuito consiste en rollos de tuberías similares a un bucle elástico unidos a un marco y ubicados en el fondo de un estanque o fuente de agua de tamaño adecuado. Los estanques artificiales se utilizan como almacenamiento de calor (hasta un 90 % de eficiencia) en algunas plantas de calefacción solar central , que luego extraen el calor (similar al almacenamiento en el suelo) a través de una gran bomba de calor para suministrar calefacción urbana . [19] [20]
La bomba de calor geotérmica de intercambio directo (DX) es el tipo más antiguo de tecnología de bomba de calor geotérmica, en la que el propio refrigerante pasa a través del circuito de tierra. Desarrollada durante la década de 1980, este enfoque enfrentó problemas con el sistema de gestión de refrigerantes y aceite, especialmente después de la prohibición de los refrigerantes CFC en 1989 y los sistemas DX ahora se utilizan con poca frecuencia. [ cita requerida ]
Debido a los conocimientos técnicos y al equipamiento necesarios para diseñar y dimensionar el sistema correctamente (e instalar las tuberías si se requiere fusión por calor), la instalación de un sistema GSHP requiere los servicios de un profesional. Varios instaladores han publicado vistas en tiempo real del rendimiento del sistema en una comunidad en línea de instalaciones residenciales recientes. La Asociación Internacional de Bombas de Calor de Fuente Terrestre ( IGSHPA ), [21] la Organización de Intercambio Geotérmico (GEO), [22] la Coalición Canadiense de GeoExchange y la Asociación de Bombas de Calor de Fuente Terrestre mantienen listados de instaladores calificados en los EE. UU., Canadá y el Reino Unido. [23] Además, el análisis detallado de la conductividad térmica del suelo para sistemas horizontales y la conductividad térmica de la formación para sistemas verticales generalmente dará como resultado sistemas diseñados con mayor precisión y con una mayor eficiencia. [24]
El rendimiento de refrigeración se expresa normalmente en unidades de BTU/h/vatio como el índice de eficiencia energética (EER), mientras que el rendimiento de calefacción se reduce normalmente a unidades adimensionales como el coeficiente de rendimiento (COP). El factor de conversión es 3,41 BTU/h/vatio. Dado que una bomba de calor mueve de tres a cinco veces más energía térmica que la energía eléctrica que consume, la producción total de energía es mucho mayor que la entrada eléctrica. Esto da como resultado eficiencias térmicas netas superiores al 300% en comparación con el calor eléctrico radiante, que es 100% eficiente. Los hornos de combustión tradicionales y los calentadores eléctricos nunca pueden superar el 100% de eficiencia. Las bombas de calor geotérmicas pueden reducir el consumo de energía (y las emisiones de contaminación atmosférica correspondientes) hasta un 72% en comparación con la calefacción por resistencia eléctrica con equipos de aire acondicionado estándar. [25]
Los compresores eficientes, los compresores de velocidad variable y los intercambiadores de calor de mayor tamaño contribuyen a la eficiencia de la bomba de calor. Las bombas de calor geotérmicas residenciales que se comercializan actualmente tienen coeficientes de rendimiento estándar que van de 2,4 a 5,0 y coeficientes de eficiencia energética (EER) que van de 10,6 a 30. [26] [27] Para poder obtener la etiqueta Energy Star , las bombas de calor deben cumplir con ciertas clasificaciones mínimas de coeficiente de rendimiento (COP) y coeficiente de eficiencia energética (EER) que dependen del tipo de intercambiador de calor geotérmico. Para los sistemas de circuito cerrado, el coeficiente de rendimiento (COP) de calefacción ISO 13256-1 debe ser de 3,3 o más y el coeficiente de eficiencia energética (EER) de refrigeración debe ser de 14,1 o más. [28]
Las normas ARI 210 y 240 definen el índice de eficiencia energética estacional (SEER) y los factores de rendimiento estacional de calefacción (HSPF) para tener en cuenta el impacto de las variaciones estacionales en las bombas de calor de fuente de aire. Estos números normalmente no son aplicables y no deben compararse con las clasificaciones de las bombas de calor de fuente terrestre. Sin embargo, Recursos Naturales de Canadá ha adaptado este enfoque para calcular los HSPF ajustados estacionalmente típicos para las bombas de calor de fuente terrestre en Canadá. [16] Los HSPF de NRC variaron de 8,7 a 12,8 BTU/h/vatio (2,6 a 3,8 en factores no dimensionales, o 255% a 375% de eficiencia de utilización de electricidad promedio estacional) para las regiones más pobladas de Canadá.
Con el fin de comparar los aparatos con bomba de calor entre sí, independientemente de otros componentes del sistema, el American Refrigerant Institute (ARI) y, más recientemente, la International Organization for Standardization (Organización Internacional de Normalización ) han establecido algunas condiciones de prueba estándar. Las clasificaciones estándar ARI 330 estaban destinadas a bombas de calor geotérmicas de circuito cerrado y suponen temperaturas del agua del circuito secundario de 25 °C (77 °F) para aire acondicionado y 0 °C (32 °F) para calefacción. Estas temperaturas son típicas de las instalaciones en el norte de los EE. UU. Las clasificaciones estándar ARI 325 estaban destinadas a bombas de calor geotérmicas de circuito abierto e incluyen dos conjuntos de clasificaciones para temperaturas del agua subterránea de 10 °C (50 °F) y 21 °C (70 °F). ARI 325 presupuesta más electricidad para el bombeo de agua que ARI 330. Ninguna de estas normas intenta tener en cuenta las variaciones estacionales. Las clasificaciones estándar ARI 870 están destinadas a bombas de calor geotérmicas de intercambio directo. En 2001, ASHRAE adoptó la norma ISO 13256-1, que reemplaza a ARI 320, 325 y 330. La nueva norma ISO produce calificaciones ligeramente más altas porque ya no presupuesta electricidad para bombas de agua. [26]
El suelo, sin adición ni sustracción de calor artificial y a profundidades de varios metros o más, se mantiene a una temperatura relativamente constante durante todo el año. Esta temperatura equivale aproximadamente a la temperatura media anual del aire del lugar elegido, que suele ser de 7 a 12 °C (45 a 54 °F) a una profundidad de 6 metros (20 pies) en el norte de los EE. UU. Debido a que esta temperatura se mantiene más constante que la temperatura del aire a lo largo de las estaciones, las bombas de calor geotérmicas funcionan con mucha mayor eficiencia durante temperaturas extremas del aire que los acondicionadores de aire y las bombas de calor aerotérmicas.
Un desafío en la predicción de la respuesta térmica de un intercambiador de calor terrestre (GHE) [29] es la diversidad de las escalas de tiempo y espacio involucradas. Cuatro escalas espaciales y ocho escalas de tiempo están involucradas en la transferencia de calor de los GHE. La primera escala espacial que tiene importancia práctica es el diámetro del pozo (~ 0,1 m) y el tiempo asociado es del orden de 1 hora, durante la cual el efecto de la capacidad térmica del material de relleno es significativo. La segunda dimensión espacial importante es la mitad de la distancia entre dos pozos adyacentes, que es del orden de varios metros. El tiempo correspondiente es del orden de un mes, durante el cual la interacción térmica entre pozos adyacentes es importante. La escala espacial más grande puede ser de decenas de metros o más, como la mitad de la longitud de un pozo y la escala horizontal de un grupo de GHE. La escala de tiempo involucrada es tan larga como la vida útil de un GHE (décadas). [30]
La respuesta horaria de la temperatura del suelo a corto plazo es vital para analizar la energía de los sistemas de bombas de calor geotérmicas y para su control y funcionamiento óptimos. Por el contrario, la respuesta a largo plazo determina la viabilidad general de un sistema desde el punto de vista del ciclo de vida. Abordar el espectro completo de escalas de tiempo requiere vastos recursos computacionales.
Las principales preguntas que los ingenieros pueden plantearse en las primeras etapas del diseño de un GHE son (a) cuál es la tasa de transferencia de calor de un GHE en función del tiempo, dada una diferencia de temperatura particular entre el fluido circulante y el suelo, y (b) cuál es la diferencia de temperatura en función del tiempo, dada una tasa de intercambio de calor requerida. En el lenguaje de la transferencia de calor, las dos preguntas probablemente se puedan expresar como
donde T f es la temperatura media del fluido circulante, T 0 es la temperatura efectiva, no perturbada del suelo, q l es la tasa de transferencia de calor del GHE por unidad de tiempo por unidad de longitud (W/m), y R es la resistencia térmica total (m . K/W). R ( t ) es a menudo una variable desconocida que necesita ser determinada por análisis de transferencia de calor. A pesar de que R ( t ) es una función del tiempo, los modelos analíticos la descomponen exclusivamente en una parte independiente del tiempo y una parte dependiente del tiempo para simplificar el análisis.
Se pueden encontrar varios modelos para el R independiente del tiempo y dependiente del tiempo en las referencias. [12] [13] Además, a menudo se realiza una prueba de respuesta térmica para hacer un análisis determinista de la conductividad térmica del suelo para optimizar el tamaño del campo de bucle, especialmente para sitios comerciales más grandes (por ejemplo, más de 10 pozos).
La eficiencia de las bombas de calor geotérmicas se puede mejorar en gran medida mediante el uso del almacenamiento de energía térmica estacional y la transferencia de calor entre estaciones. [31] El calor capturado y almacenado en bancos térmicos en el verano se puede recuperar de manera eficiente en el invierno. La eficiencia del almacenamiento de calor aumenta con la escala, por lo que esta ventaja es más significativa en los sistemas de calefacción comercial o urbana .
Los sistemas combinados geosolares se han utilizado para calentar y enfriar un invernadero utilizando un acuífero para el almacenamiento térmico. [20] [32] En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea fría. Esto calienta el agua del acuífero, que puede convertirse en una fuente de calor para calefacción en invierno. [32] [33] La combinación de almacenamiento de frío y calor con bombas de calor se puede combinar con la regulación del agua/humedad. Estos principios se utilizan para proporcionar calor renovable y refrigeración renovable [34] a todo tipo de edificios.
También se puede mejorar la eficiencia de las pequeñas instalaciones de bombas de calor existentes añadiendo colectores solares grandes, baratos y llenos de agua. Estos se pueden integrar en un aparcamiento que se vaya a reformar o en las paredes o en las construcciones del tejado instalando tubos de polietileno de una pulgada en la capa exterior.
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) ha calificado las bombas de calor geotérmicas como los sistemas de acondicionamiento de espacios más energéticamente eficientes, ambientalmente limpios y rentables disponibles. [35] Las bombas de calor ofrecen un potencial significativo de reducción de emisiones, en particular cuando se utilizan tanto para calefacción como para refrigeración y cuando la electricidad se produce a partir de recursos renovables.
Las bombas de calor geotérmicas tienen una eficiencia térmica inigualable y no producen emisiones a nivel local, pero su suministro eléctrico incluye componentes con altas emisiones de gases de efecto invernadero, a menos que el propietario haya optado por un suministro de energía 100% renovable . Su impacto ambiental, por tanto, depende de las características del suministro eléctrico y de las alternativas disponibles.
El ahorro de emisiones de GEI de una bomba de calor en comparación con un horno convencional se puede calcular según la siguiente fórmula: [39]
Las bombas de calor geotérmicas siempre producen menos gases de efecto invernadero que los aparatos de aire acondicionado, los hornos de fueloil y la calefacción eléctrica, pero los hornos de gas natural pueden ser competitivos dependiendo de la intensidad de los gases de efecto invernadero del suministro eléctrico local. En países como Canadá y Rusia, con infraestructura eléctrica de baja emisión, una bomba de calor residencial puede ahorrar 5 toneladas de dióxido de carbono al año en comparación con un horno de fueloil, o aproximadamente tanto como sacar de circulación un automóvil de pasajeros promedio. Pero en ciudades como Pekín o Pittsburgh, que dependen en gran medida del carbón para la producción de electricidad, una bomba de calor puede generar entre 1 y 2 toneladas más de emisiones de dióxido de carbono que un horno de gas natural. Sin embargo, para las áreas que no cuentan con infraestructura de gas natural, no existe una alternativa mejor.
Los fluidos utilizados en circuitos cerrados pueden estar diseñados para ser biodegradables y no tóxicos, pero el refrigerante utilizado en el gabinete de la bomba de calor y en los circuitos de intercambio directo era, hasta hace poco, clorodifluorometano , que es una sustancia que agota la capa de ozono. [26] Aunque es inofensivo mientras está contenido, las fugas y la eliminación inadecuada al final de la vida útil contribuyen a agrandar el agujero de ozono . Para las nuevas construcciones, este refrigerante se está eliminando gradualmente a favor del gas de efecto invernadero R410A, que es respetuoso con la capa de ozono pero potente . Los sistemas de circuito abierto (es decir, los que extraen agua subterránea en lugar de los sistemas de circuito cerrado que utilizan un intercambiador de calor de pozo) deben equilibrarse reinyectando el agua gastada. Esto evita el agotamiento del acuífero y la contaminación del suelo o las aguas superficiales con salmuera u otros compuestos del subsuelo. [ cita requerida ]
Antes de realizar la perforación, es necesario comprender la geología subterránea y los perforadores deben estar preparados para sellar el pozo, lo que incluye evitar la penetración de agua entre los estratos. El desafortunado ejemplo es un proyecto de calefacción geotérmica en Staufen im Breisgau , Alemania, que parece haber causado daños considerables a los edificios históricos de la zona. En 2008, se informó de que el centro de la ciudad había subido 12 cm, [40] después de hundirse inicialmente unos pocos milímetros. [41] La perforación aprovechó un acuífero presurizado naturalmente y, a través del pozo, esta agua entró en una capa de anhidrita, que se expande cuando está mojada y forma yeso. La hinchazón se detendrá cuando la anhidrita haya reaccionado por completo y la reconstrucción del centro de la ciudad "no es conveniente hasta que cese la elevación". En 2010, el sellado del pozo no se había logrado. [42] [43] [44] En 2010, algunas secciones de la ciudad se habían elevado 30 cm. [45]
Las bombas de calor geotérmicas se caracterizan por tener altos costos de capital y bajos costos operativos en comparación con otros sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado . Su beneficio económico general depende principalmente de los costos relativos de la electricidad y los combustibles, que son muy variables a lo largo del tiempo y en todo el mundo. Según los precios recientes, las bombas de calor geotérmicas tienen actualmente costos operativos más bajos que cualquier otra fuente de calefacción convencional en casi todo el mundo. El gas natural es el único combustible con costos operativos competitivos, y solo en un puñado de países donde es excepcionalmente barato o donde la electricidad es excepcionalmente cara. [39] En general, un propietario puede ahorrar entre un 20% y un 60% anual en servicios públicos al cambiar de un sistema ordinario a un sistema geotérmico. [46] [47]
Hasta hace poco, los costos de capital y la vida útil del sistema habían recibido mucho menos estudio, y el retorno de la inversión es muy variable. El rápido aumento del precio del sistema ha estado acompañado de rápidas mejoras en la eficiencia y la confiabilidad. Se sabe que los costos de capital se benefician de las economías de escala , en particular para los sistemas de circuito abierto, por lo que son más rentables para edificios comerciales más grandes y climas más duros. El costo inicial puede ser de dos a cinco veces el de un sistema de calefacción convencional en la mayoría de las aplicaciones residenciales, de nueva construcción o existentes. En las renovaciones, el costo de instalación se ve afectado por el tamaño del área habitable, la antigüedad de la casa, las características del aislamiento, la geología del área y la ubicación de la propiedad. El diseño adecuado del sistema de conductos y el intercambio mecánico de aire deben considerarse en el costo inicial del sistema.
Los costos de capital pueden compensarse con subsidios gubernamentales; por ejemplo, Ontario ofreció $7000 para sistemas residenciales instalados en el año fiscal 2009. Algunas compañías eléctricas ofrecen tarifas especiales a los clientes que instalan una bomba de calor geotérmica para calentar o enfriar su edificio. [48] Cuando las plantas eléctricas tienen cargas mayores durante los meses de verano y capacidad ociosa en el invierno, esto aumenta las ventas de electricidad durante los meses de invierno. Las bombas de calor también reducen el pico de carga durante el verano debido a la mayor eficiencia de las bombas de calor, evitando así la costosa construcción de nuevas plantas de energía. Por las mismas razones, otras compañías de servicios públicos han comenzado a pagar por la instalación de bombas de calor geotérmicas en las residencias de los clientes. Arrendan los sistemas a sus clientes por una tarifa mensual, con un ahorro neto general para el cliente.
La vida útil del sistema es más larga que la de los sistemas de calefacción y refrigeración convencionales. Todavía no se dispone de buenos datos sobre la vida útil del sistema porque la tecnología es demasiado reciente, pero muchos de los primeros sistemas siguen funcionando hoy en día después de 25 a 30 años con un mantenimiento de rutina. La mayoría de los campos de bucle tienen garantías de 25 a 50 años y se espera que duren al menos entre 50 y 200 años. [46] [49] Las bombas de calor geotérmicas utilizan electricidad para calentar la casa. La mayor inversión en comparación con los sistemas convencionales de petróleo, propano o electricidad puede recuperarse en ahorros de energía en 2 a 10 años para los sistemas residenciales en los EE. UU. [50] [47] [49] El período de recuperación de la inversión para los sistemas comerciales más grandes en los EE. UU. es de 1 a 5 años, incluso en comparación con el gas natural. [47] Además, debido a que las bombas de calor geotérmicas generalmente no tienen compresores exteriores ni torres de enfriamiento, el riesgo de vandalismo se reduce o elimina, lo que potencialmente extiende la vida útil de un sistema. [51]
Las bombas de calor geotérmicas son reconocidas como uno de los sistemas de calefacción y refrigeración más eficientes del mercado. Suelen ser la segunda solución más rentable en climas extremos (después de la cogeneración ), a pesar de las reducciones en la eficiencia térmica debido a la temperatura del suelo. (La fuente geotérmica es más cálida en climas que necesitan un aire acondicionado potente y más fría en climas que necesitan una calefacción potente). La viabilidad financiera de estos sistemas depende del tamaño adecuado de los intercambiadores de calor geotérmicos (GHE), que generalmente son los que más contribuyen a los costos de capital generales de los sistemas GSHP. [52]
Los costos de mantenimiento de los sistemas comerciales en los EE. UU. han sido históricamente de entre $0,11 y $0,22 por m2 por año en dólares de 1996, mucho menos que el promedio de $0,54 por m2 por año para los sistemas HVAC convencionales. [6]
Los gobiernos que promueven la energía renovable probablemente ofrecerán incentivos para los mercados de consumo (residencial) o industrial. Por ejemplo, en los Estados Unidos, se ofrecen incentivos tanto a nivel estatal como federal. [53]
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