Las instalaciones de geotermia reducen de forma muy considerable el consumo en calefacción, agua caliente sanitaria (ACS) y/o refrigeración debido a su elevado rendimiento. La geotermia se basa en el funcionamiento de una bomba de calor que no produce calor, sino que sólo lo transporta.
De hecho, la tecnología usada por la bomba de calor está ya presente desde hace mucho tiempo en nuestras casas debido a la utilización del ciclo frigorífico en neveras y congeladores. La geotermia es un caso particular de bomba de calor para climatización y ACS en el que se usa el subsuelo como sumidero o captación de energía, de forma que se consigue aún un mayor rendimiento, aprovechando la gran estabilidad de temperaturas que nos ofrece el terreno a partir de cierta profundidad.
Vamos a ahora a entrar en detalles acerca de cuándo es útil realizar una instalación de geotermia y cómo se debe realizar:
1. ¿Donde puedo instalar un sistema de geotermia?
Se pueden instalar sistemas de calefacción y refrigeración por geotermia en la mayoría de viviendas unifamiliares, bloques de viviendas y otros edificios. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, debido a las perforaciones o excavaciones que hay que realizar para colocar las sondas de captación, este tipo de instalaciones requieren de un estudio previo.
2. Sistemas de captación en geotermia
Existen diferentes tipos de captación: pozos verticales, captaciones horizontales y captaciones en aguas freáticas.
Actualmente el sistema de captación más habitual es el de pozos verticales. Pese a su mayor coste, su ejecución es más práctica ya que precisan mucho menos espacio y al mismo tiempo tienen un mayor rendimiento (40-60 W/m² aprox.), debido a que las sondas de captación entran a mayor profundidad donde la temperatura del subsuelo es más estable durante todo el año.
Para una vivienda unifamiliar con un clima no muy extremo, muchas veces con una o dos sondas es posible calentar una vivienda, sin necesidad de apoyo de otros sistemas de calefacción.
Los sistemas horizontales, aunque más económicos, no son tan frecuentes ya que son más vulnerables a los cambios exteriores de temperatura y tienen un menor rendimiento.
Las captaciones freáticas solo son posibles en determinadas zonas con acuíferos de agua en constante renovación. A diferencia de las anteriores captaciones que son circuitos cerrados, estas captaciones son sistemas abiertos que captan el agua en un primer pozo, para liberarla más tarde en un segundo pozo aguas abajo del primero o a cierta distancia (mínimo 10 m).
Temperatura del subsuelo según la profundidad. Fuente: IDAE
Para la realización de los pozos, es importante contactar con una empresa especializada que realice un estudio previo de las características del terreno para conocer la capacidad de intercambio energético del subsuelo, que influirá directamente en el rendimiento de la instalación. Al mismo tiempo, el tipo de roca del subsuelo marcará el precio de las perforaciones y por tanto la viabilidad de la instalación según su coste.
3. Pozos de captación verticales
Los sistemas de captación verticales, consisten en la colocación de colectores en pozos mediante perforaciones que oscilan entre los 80-150 m según las características del terreno. Se realizan uno o varios pozos según las necesidades energéticas de la instalación y la capacidad de intercambio energético del terreno.
Existen dos tipos de colectores para las perforaciones verticales: los de U simple y los de U doble. Los primeros son los más económicos pero los segundos presentan la ventaja de que las perforaciones pueden ser de menos profundidad, ya que el rendimiento de la captación aumenta un 15%.
La profundidad de los pozos se determina mediante cálculos complejos basados en la capacidad de extracción de calor o aportación de calor del subsuelo. Para saber la capacidad de intercambio calorífico del terreno es necesario conocer el tipo de roca o materiales del subsuelo, o bien realizar un ensayo técnico.
Para viviendas unifamiliares y otro edificios que requieran menos de diez perforaciones, es frecuente realizar una aproximación de las características del terreno mediante mapas geológicos de la zona y usando valores tabulados o sondeos próximos ya existentes debido a que el coste de un estudio técnico de materiales es elevado.
4. Métodos de cálculo para el dimensionamiento de las sondas enterradas de geotermia
Una vez estén calculadas las necesidades energéticas de la vivienda (existen varias metodologías para ello), podemos realizar un dimensionamiento previo de las sondas.
Existen diferentes métodos simplificados para realizar estos cálculos. Estos métodos sólo sirven para tener una primera aproximación. Más adelante, una empresa especializada tendrá que realizar un cálculo de más exactitud.
Uno de los métodos simplificados más usados es el método alemán especificado en la normaVDI 4640. Este método sirve sólo para calefacción y ACS y para intercambiadores con las siguientes características:
- Instalaciones de hasta 30 kW de potencia
- Pozos verticales con profundidades entre 40-100 m
- Distancias mínimas de 5 m en sondeos de 40-50 m de profundidad y de 6 m en sondeos de 50-100 m
Según las horas anuales de trabajo estimadas de la instalación (para climas templados 1800 h, para climas fríos 2400 h) y los materiales del terreno, se adjunta la siguiente tabla con los valores de extracción de calor tabulados ( en (W/m²):
| Tipo de subsuelo / horas de funcionamiento anuales | 1800 h | 2400 h |
| Valores orientativos generales | ||
| Subsuelo inapropiado, sedimento seco (λ < 1,5 W/mK) | 25 | 20 |
| Subsuelo normal de roca consolidada y sedimento saturado en agua (λ < 3,0 W/mK) | 60 | 50 |
| Roca consolidada con elevada conductividad térmica (λ < 3,0 W/mK) | 84 | 70 |
| Rocas aisladas: | ||
| Gravilla, arenas, secas | <25 | <20 |
| Gravilla, arena, con contenido de agua | 65-80 | 55-85 |
| Corriente frética fuerte a través de gravilla y arena, para instalaciones individuales | 80-100 | 80-100 |
| Arcilla, limo, húmedos | 35-50 | 30-40 |
| Piedra caliza (maciza) | 55-70 | 45-60 |
| Piedra arenisca | 65-80 | 55-65 |
| Magmatitas ácidas (ejemplo: granito) | 65-85 | 55-70 |
| Magmatitas básicas (ejemplo: basalto) | 40-65 | 35-55 |
| Gneis | 70-85 | 60-70 |
La norma VDI 4640 establece las siguientes fórmulas para el cálculo de la longitud de las sondas:
Potencia térmica intercambiador [evaporador] = (Potencia calefacción x (COP-1)) / COP
Longitud de la sonda= Potencia evaporador / Capacidad térmica específica terreno
Otro modelo de cálculo simplificado muy reconocido es del IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association). Este modelo es más preciso que el anterior y nos permite además realizar los cálculos también para refrigeración. A pesar de ser un modelo simplificado su nivel de cálculo es superior por lo que es preferible usar programas informáticos ya preparados a los que tienen acceso empresas especializadas.
5. Ejecución de las perforaciones y colocación de las sondas geotérmicas
Para la ejecución de las perforaciones hay maquinaria específica cada vez más compacta. Existen diferentes técnicas de perforación como la rotopercusión para terrenos más duros y la rotación para terrenos más blandos.
Una vez realizadas las perforaciones, se colocan las sondas hasta las profundidades establecidas. Para el descenso de las sondas se coloca un peso de lastre en el extremo que se quedará alojado en el interior del pozo. Una vez colocadas las sondas se rellenará el pozo con cemento para que las sondas puedan transmitir el calor de forma homogénea a la roca y el terreno.
6. Elección de la bomba de calor y rendimiento de trabajo
Las necesidades térmicas de un edificio se pueden calcular mediante un estudio de cargas térmicas en proyectos de edificios grandes y luego utilizando diferentes métodos internacionales estandarizados de elección de bombas de calor geotérmicas (consultar con empresas especializadas en el caso de grandes edificios) pero es habitual utilizar valores medios de entre 60-70 W/m² en viviendas unifamiliares de obra nueva bien aisladas y con suelo radiante.
Así pues para un vivienda, por ejemplo de 200m², utilizando este ratio necesitaríamos una bomba geotérmica de unos 15kW.
Los rendimientos de una bomba de calor son los denominados COP para calefacción y EER para refrigración
COPcalefacción = Qcalefacción (potencia térmica necesaria) / Wcalefacción (trabajo o consumo eléctrico bomba de calor)
EERrefrigeración = Qrefrigeración (potencia térmica necesaria) / Wrefrigeración (trabajo o consumo eléctrico bomba de calor)
Los valores típicos del COP de las bombas de calor oscilan entre 3-6. Este valor indica que para la extracción de 1 kW térmico del terreno, con un COP por ejemplo de 4, será necesario emplear 0,25 kW de consumo eléctrico en la bomba de calor.
Las bombas de calor para viviendas unifamiliares tiene valores de entre 2 kW y 30 kW. Siendo la potencia media más habitual la que oscila entre 12-15 kW térmicos.
7. Elección del fluido circulante en los pozos
El fluido circulante por el sistema cerrado de sondas es agua con un anticongelante. El anticongelante es necesario y a veces obligatorio según el fabricante para evitar la congelación del agua circulante en utilizaciones intensivas del sistema de calefacción. Es necesario también que el anticongelante sea biodegradable para evitar posibles toxicidades en caso de derrame involuntario.
Los anticongelantes más habituales son: Etilenglicol, Propilenglicol, Etanol, Metanol, etc.
8. Intercambio de calor en el interior del edificio o vivienda:
En geotermia, el rendimiento de la bomba de calor depende del rango de temperaturas entre la fuente de calor y el sumidero al que se evacúa. El rendimiento es mayor cuanto menor es el salto térmico entre ambos.
Por este motivo, el rendimiento de las bombas de calor de geotermia es mayor cuanto menor es la temperatura a la que trabajan los intercambiadores de calor en el caso de calefacción. Por este motivo, la elección del sistema de intercambio en el interior de la vivienda es fundamental.
La calefacción y/o refrigeración del edificio en el interior puede realizarse por cuatro sistemas diferentes, ordenados de menor a mayor rendimiento:
– Radiadores de agua a alta temperatura:
Las bombas de calor geotérmicas elevan la temperatura máxima hasta unos 50º (algunas marcas de bomba de calor pueden elevar la temperatura a más grados pero su rendimiento baja en picado). Como los radiadores a alta temperatura trabajan a unos 65-70º, en este caso sería necesario otra fuente de calor convencional complementaria para elevar la temperatura.
– Radiadores de agua a baja temperatura:
Existen en el mercado radiadores con superficies de intercambio mayores preparados para trabajar a bajas temperaturas (temperatura de trabajo aprox. 50º)
-Termoconvectores (Fancoils):
Mediante conductos de aire, los fancoils o termoconvectores calientan aire o refrigeran aire que se distribuye mediante unidades difusoras en las diferentes habitaciones a una temperatura de trabajo aprox. 45º.
– Suelo radiante
Es la forma de transmisión de calor más eficiente, trabaja a unos 40º, por este motivo es el tipo de intercambiador más recomendado para calefacción.
9. Mantenimiento de una instalación de geotermia
Las instalaciones de geotermia precisan de poco mantenimiento. Toda la parte enterrada no precisa ningún tipo de mantenimiento una vez correctamente instalada. La bomba de calor agua-agua requiere de menor mantenimiento que una bomba de calor aire-agua. A pesar de las ventajas de precisar poco mantenimiento por lo que se refiere a la parte geotérmica, el resto de la sala de máquinas y de la instalación requieren los mismos controles de mantenimiento establecidos en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en edificios para cualquier instalación de climatización (RITE).
10.Coste de la instalación, rendimiento y amortización
Coste de una instalación
El coste de una instalación de geotermia es superior a otras instalaciones convencionales debido en su mayor parte al elevado coste de las perforaciones. El coste puede ser unas 2,5 veces superior a una instalación convencional de gas o gasoil.
El coste medio de una instalación de geotermia en una vivienda unifamiliar está entre los 20.000-40.000 euros dependiendo del número de de pozos a realizar y del tipo de terreno, así como de la potencia de la bomba de calor a emplear. La perforación de los pozos es una de las partes más costosas. Los precios de perforación pueden variar mucho según la zona, pero su coste medio suele estar sobre los 40 euros/metro lineal de perforación. También hay que tener en cuenta que al tratarse de energía renovable muchas veces existen líneas de ayuda que pueden reducir el coste total de la instalación.
Rendimiento de una instalación y menor consumo (caso hipotético de ejemplo)
El rendimiento de una instalación llega hasta valores de 5-6 de COP por lo que se reducen de forma significativa los consumos.
Con geotermia (Suponiendo un COP 5,2): 1858 euros/año
De forma que los ahorros estimados serían de 1607 euros anuales en el caso de gas natural y 3182 en el caso de gasoil.