Publicado el 6 oct. 2023

Bomba de calor de geotermia: descúbrela

¿Cómo funciona una bomba de calor geotérmica? Todos los modelos de bomba de calor funcionan de forma similar, la única diferencia es el lugar de donde se capta la energía. En el caso de las bombas geotérmicas, aprovechan la energía térmica que hay en el subsuelo. En este artículo explicamos como reconocerlas y cómo funcionan. Además, hablamos de los sistemas para los colectores de intercambio en el subsuelo, su consumo o mucho más. Sigue leyendo.
Marcos Carbonell
Artículo escrito por:
Marcos Carbonell para www.hogarsense.es
Aerotermia Tipos de Bombas de calor ↳ Bomba de calor geotermia
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bomba de calor geotérmica

Fuente de la imagen: ©Bosch

¿Qué es una bomba de calor geotérmica?

La bomba de calor geotérmica es un equipo destinado a la climatización de viviendas y edificios; y a la generación de agua caliente sanitaria o ACS. Al igual que todos los tipos de bomba de calor, está considerada como un sistema de energía renovable. Obtiene la energía en gran parte del calor del subsuelo, es decir, aprovecha la energía geotérmica. Apenas necesita un 20% de la energía en forma de electricidad para el funcionamiento de sus componentes internos.

Por lo general, las bombas de calor geotérmicas recogen la energía del interior de la tierra, a cierta profundidad, y la trasladan al agua contenida en un depósito o al aire. Aunque son mucho más normales las que trabajan sobre agua, que destinamos a la calefacción, refrigeración y ACS. Es por ello que también se denominan bomba de calor tierra-agua.

Bomba de calor tierra-agua

Es más habitual y muchos fabricantes disponen de modelos en sus catálogos. Con ellas calentamos o enfriamos agua de varios depósitos, que luego utilizaremos en la climatización o en los servicios humanos

Bomba de calor tierra-aire

No es fácil encontrar fabricantes que dispongan de estos modelos. El motivo es que su uso está muy limitado a la climatización por aire. Por ejemplo, en centros comerciales, oficinas, etc.

• ¿Qué es la energía geotérmica?

La geotermia es la energía renovable que se puede obtener del subsuelo, gracias al aprovechamiento de la temperatura interior que hay en la corteza terrestre. Se distinguen tres tipos diferentes de energía geotérmica, en función de la temperatura a la que se calienta el agua que usaremos para diferentes fines. La temperatura conseguida suele ir pareja a la profundidad a la que se lleven las sondas geotérmicas.

Energía geotérmicaT° del aguaProfundidadUsos
Alta temperatura500 - 600 °C3 - 15 kmSe consigue vapor que se usa para generar electricidad mediante turbinas.
150 - 400 °C0,5 - 2 km
Media temperatura70 - 150 °CHasta 500 mGenerar electricidad mediante turbinas de vapor, pero con menor rendimiento que la Geotermia de alta temperatura.
Baja temperatura50 - 70 °CHasta 300 mCalefacción, ACS y usos industriales
Muy baja temperatura20 - 50 °CHasta 150 mClimatización y ACS doméstica y comercial

• Precio de la bomba de calor geotérmica

El precio de una bomba de calor de geotermia suele ser más elevado que las de aerotermia. Dependiendo del modelo necesario, de la vivienda y los trabajos para su instalación, el precio puede oscilar entre 200 y 300 € por kW. Debemos tener en cuenta que para su funcionamiento se debe enterrar una red de tuberías o varias sondas en el subsuelo. Por lo que deben realizarse varios pozos o distribuir las tuberías a una profundidad de casi 2 metros para luego cubrirlas con tierra.

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¿Cómo funciona una bomba de calor geotérmica?

Todos los tipos de bomba de calor tienen un funcionamiento similar. La única diferencia radica en el lugar donde captan la energía y dónde la transfieren. Sin embargo, su funcionamiento interno se basa en el ciclo térmico de en 4 pasos de un gas refrigerante. Estos corresponden con los diferentes cambios de estado que sufre el gas frigorífico, de líquido a gas y vuelta a líquido.

En el caso de una instalación de geotermia, el intercambio de energía se realiza con un pozo geotérmico en vertical o con un colector de tuberías enterradas en horizontal a una profundidad mínima de 1 metro. Sin embargo, en ciclo de trabajo interno, con un gas refrigerante tiene los 4 pasos siguientes:

• Funcionamiento en modo verano

1. Evaporación

En el primer paso, considerando que la bomba trabaja en modo verano, el refrigerante se evapora absorbiendo calor del medio externo al evaporador. En el caso de las bombas de calor geotérmicas, este medio es el agua de uno a varios depósitos. De esta forma enfriamos el agua de los tanques para poder usarla en un sistema de refrigeración. 

2. Compresión

En este paso se eleva la presión y temperatura del gas frigorífico, además se impulsa para su movimiento a lo largo del circuito de toda la bomba de calor.

Fuente de la imagen: ©Hogarsense.es

3. Condensación

Este proceso consiste, como su nombre indica, en la condensación del refrigerante. Al condensarse cede el calor absorbido al agua de la climatización, al medio externo. En el caso de una instalación geotérmica, este medio externo es la tierra del subsuelo, donde se han dispuesto las tuberías de disipación o el pozo geotérmico.

4. Expansión

Durante este paso el gas refrigerante atraviesa la válvula de expansión, donde se genera una pérdida de carga o presión. Esto provoca que se reduzca la alta presión que tenía el refrigerante procedente de las tuberías de condensación enterradas en el subsuelo o en el fondo de un estanque de agua.

• Funcionamiento en modo invierno

Cuando llega la época de frío, la bomba de calor invierte el ciclo de trabajo del refrigerante. Esto se puede hacer gracias a la válvula de 4 vías que al variar su posición hace circular el gas en sentido inverso. Así, se modifica la función de dos componentes. El condensador pasa a realizar la función de evaporación y, por su parte, el evaporador trabaja condensando el gas refrigerante que circula por su interior.

Fuente de la imagen: ©Hogarsense.es

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Sistemas de instalación de la energía geotérmica

La particularidad de una instalación geotérmica es la disposición del intercambiador energético, que se coloca bajo tierra. Sin embargo, la forma de instalar la red de tuberías en el subsuelo puede diferir según modelos o circunstancias. Así, distinguimos dos tipos de instalación geotérmica o bombas de calor de geotermia; las que utilizan sondas geotérmicas y las que necesitan colectores geotérmicos.

Colectores geotérmicos

• Características

La instalación geotérmica con colectores está formada por una red de tuberías que se instalan a poca profundidad, pero siempre por debajo de la línea de congelación. Esta forma de instalación reduce los costes y garantiza una eficiencia bastante buena.

La superficie necesaria para enterrar los colectores geotérmicos debe tener aproximadamente el doble del tamaño del área a calentar. Además, una limitación que se tiene es que encima de este terreno no se puede construir.

Por el interior de estos tubos circula agua con glicol en un circuito cerrado, que tiene su inicio y fin en la propia bomba de calor. El líquido se encarga de hacer la transferencia del calor en la propia bomba de calor de geotermia y en el suelo.

• Energía extraída

Con este sistema de instalación geotérmica se consiguen de 20 a 25 W por m²

• Ventajas

Es una forma de instalación relativamente fácil de instalar, y por ello más económica.

• Inconvenientes

Se necesita mucha mayor superficie de terreno, que además ya no se puede utilizar para edificar u otros usos que impliquen movimientos de tierras, salvo el agrícola o usos similares.

Al estar instalada a poca profundidad, es mucho más sensible a los cambios de temperatura del exterior, por lo que se consiguen menores rendimientos que con sondas geotérmicas.

Fuente de la imagen: ©Hogarsense.es

Sondas geotérmicas

• Características

Las sondas geotérmicas son elementos que ocupan muy poco espacio, además son más eficientes. Esto es debido a que se instalan en pozos de gran profundidad y extraen el calor del subsuelo a gran cantidad de metros.

Esto tiene a su vez un hándicap y es que, debido a los pozos necesarios, la instalación de las sondas es cara. Además, se necesitan permisos previos por parte de las administraciones, es decir, está sujeta a autorización previa.

• Energía extraída

Con una instalación geotérmica por sondas verticales se pueden conseguir del orden de 45 W por metro lineal.

• Ventajas

A mayor profundidad, la estabilidad de la temperatura del subsuelo es mayor y, por lo tanto, se consiguen mayores rendimientos. Al realizar la instalación en vertical, se produce una menor huella en el terreno que además se puede utilizar para otros fines. Puesto que la superficie necesaria para los pozos es mucho menor que en un sistema horizontal

• Inconvenientes

La realización de un pozo geotérmico suele ser más cara que en una instalación horizontal. Además, se necesitan permisos especiales de la administración por motivos geológicos y se necesita la participación de una empresa especializada.

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¿Qué es más eficiente la geotermia o la aerotermia?

Cuando se compara la energía geotérmica con la aerotermia, cada una de ellas tiene sus pros y sus contras. Con lo que en algunos aspectos la bomba de calor de aerotermia es mejor y en otros lo es la de geotermia. Sin embargo, en cuanto a su eficiencia, la bomba de calor geotérmica es sensiblemente mejor por dos motivos.

1.- Estabilidad e inercia de la temperatura del subsuelo

La temperatura del subsuelo puede variar entre los 15 y los 24 °C durante todo el año, sin embargo, esta variación es muy lenta y prácticamente imperceptible. Podríamos compararlo con una cueva en la que la temperatura es más o menos la misma durante todo el año, independientemente de si fuera hay 35 o solo 1 °C. Por ello, la refrigeración geotérmica es independiente de la temperatura del aire exterior.

En un mismo periodo de tiempo, por ejemplo, en el transcurso de 24 horas, la temperatura del subsuelo donde se instalan las tuberías en los colectores geotérmicos apenas varía un grado centígrado. Esto es lo que se llama inercia del subsuelo y gracias a esta característica la bomba de calor trabaja mucho mejor que una de aerotermia con el aire. Puesto que, en el mismo periodo, el aire que nos rodea puede varias desde los 4 °C de la madrugada a los 30 °C a medio día.

Esta estabilidad en la temperatura del subsuelo ayuda a que la bomba de calor geotérmica trabaje con mayor rendimiento y su eficiencia supere en algunos casos un COP de 6. Es decir, por cada 1 kW de electricidad que consume, es capaz de generar más de 6 kW de calor.

2.- Proceso de desescarche a bajas temperaturas

Un problema con que se enfrentan las bombas de calor de aerotermia es la formación de escarcha o hielo en la unidad exterior. Esto sucede en días de invierno en zonas de clima frío. Cuando esto sucede, la máquina debe parar de trabajar y aportarnos calefacción. Durante unos minutos el equipo de aerotermia debe centrarse en calentar la unidad exterior para deshacer la escarcha para poder volver a trabajar normalmente.

Esto no ocurre con la calefacción geotérmica por dos razones. La primera y más importante es que la temperatura del subsuelo, donde se instalan las tuberías del colector geotérmico, nunca llega a congelarse. Siempre y cuando fue instalada por un instalador profesional y realizo los cálculos adecuados.

Un segundo motivo es que una bomba de calor geotérmica puede instalarse en el interior de la vivienda, en el garaje, sótano o un cuarto técnico. Esto hace que nunca este a temperaturas inferiores a 0 °C y no haya posibilidad de congelación.

Fuente de la imagen: ©Burgesons

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¿Cuánto consume una bomba de geotermia?

Para determinar el consumo de una equipo de geotermia debemos tener en cuenta su potencia nominal y las horas de funcionamiento. Es por ello que por lo general se realiza una comparación con otro equipo que use una tecnología diferente. En esta ocasión hemos confrontado una bomba de calor de aerotermia con uno de geotermia.

La comparación de estos dos tipos de bomba de calor ha llevado a la realización de diferentes pruebas y análisis de los datos obtenidos. De esta forma, de los resultados se deduce que la eficiencia de la geotermia es casi un 45% superior a la aerotermia en el caso de una prueba efectuada en Madrid.

En este ensayo se comparó la energía eléctrica consumida en una vivienda tipo de 150 m2 en los alrededores de Madrid. La vivienda elegida tiene una demanda de calefacción de 21.000 kWh/año. Para ello se han utilizado dos modelos de bomba de calor con el mismo COP. De modo que se parte de condiciones técnicas iniciales similares.

• Consumo eléctrico anual de la bomba de calor

        Bomba de calor de aerotermia          Bomba de calor geotérmica
                            Rendimiento medio estacional: SPF= COP * FC * FP

FP = 0,64 

Zona climática D y Aerotermia tipo Split centralizada

FP = 1,11 

Zona climática D y Geotermia de circuito cerrado vertical o sondas geotérmicas

                                                               FC = 1

Trabaja a la misma temperatura la bomba de calor (35 ºC) que el dato del COP (35 ºC).

                                                            COP = 4,5
SPF= 4,5 * 0,64 * 1 = 2,880SPF= 4,5 * 1,11 * 1 = 4,995
                               Consumo eléctrico anual = Necesidades / SPF
(21.000 h/año) / 2,880 = 7.282 kWh/año(21.000 h/año) / 4,995 = 4.204 kWh/año

*SPF: Seasonal Performance Factor (factor de rendimiento medio estacional estimativo)

*COP: Coeficient Of Performance (Coeficiente de rendimiento)

*FC: Factor de corrección

*FP: Factor de ponderación

Para más información se puede consultar el informe de “Prestaciones medias estacionales de las Bombas de Calor” del IDAE.

Se han considerado dos bombas de calor con similares características técnicas, es decir, que teóricamente tienen el mismo rendimiento en condiciones de laboratorio. Sin embargo, al ponerlas en funcionamiento en condiciones ambientales que son diferentes para cada una, el consumo eléctrico es mucho menor en el caso de la bomba de calor geotérmica.

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Beneficios de la bomba de calor geotérmica

Una bomba de calor tierra-agua aporta grandes ventajas sobre otros tipos de sistemas. Ya que aporta la posibilidad de reversión que no dispone un aire acondicionado sin bomba de calor. No obstante, son más los beneficios que obtenemos al instalarlo en nuestras viviendas.

   Beneficio         ¿Por qué aporta un beneficio la bomba de calor geotérmica?
Eficiencia energética✓ Los equipos de aerotermia aire-aire son entre 2 y 5 veces más eficientes que los sistemas tradicionales que funcionan con combustibles fósiles.
Combinable✓ Se combina a la perfección con una instalación fotovoltaica, que proporciona la electricidad que la bomba de calor necesita, convirtiendo al conjunto en totalmente autónomo y renovable.
Ecológicas✓ Las emisiones de CO2 de una bomba de calor aire-aire son sensiblemente menores que las calderas de combustión de gas u otros fósiles.
Invisibles✓ Las bombas de calor agua-agua no necesitan estar a la intemperie, ya que hacen el intercambio con agua del subsuelo, por lo que se pueden instalar en sótanos o cuartos técnicos.
Reversibles✓ Al disponer de bomba de calor podemos disfrutar de climatización todo el año, tanto en invierno como en verano.
Ahorro

✓ Los equipos con tecnología invertir aseguran un consumo eléctrico mínimo.

✓ Aquellos que no disponen de invertir siguen siendo más eficientes que una caldera de gas o gasóleo.

Bajo nivel de ruido✓ Su funcionamiento es muy silencioso, tanto la unidad exterior como la unidad interior.
Zonificable✓ Es un sistema de climatización que se adapta fácilmente al tamaño de las viviendas, oficinas o locales.
Calefacción rápida

✓ La bomba de calor es capaz de calentar las habitaciones de forma más rápida que las tradicionales calderas. 

✓ Es un sistema idóneo para necesidades de calefacción rápida durante espacios cortos de tiempo.

Vida útil

✓ La bomba de calor puede darnos servicio un mínimo de 15 años.

 ✓ Con un adecuado mantenimiento puede llegar a los 20 o 25 años.

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