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Acondicionamiento residencial y comercial con sistemas BCG

Las bombas de calor geotérmicas son una alternativa de calefacción/refrigeración versátil, eficiente y de bajo costo energético. La escuela preescolar Tierra y Libertad, en la comunidad de Los Humeros, en Puebla, ya cuenta con una solución de este tipo

Foto de porta: El jardín de niños Tierra y Libertad, en la comunidad de Los Humeros, Puebla

Vicente Torres, Guillermo Kuri, Remedios Fuentes, Ismael González, Pablo García, Francisco Onofre y Fernando Rivas * / Fotografías: cortesía del INEEL

La crisis del petróleo en los años 70 impulsó la investigación y el desarrollo de nuevas fuentes de energía, las cuales fueran más baratas y amigables con el ambiente. Una forma de energía renovable adaptada para el acondicionamiento de espacios residenciales y comerciales es el uso directo de la energía geotérmica, mediante el empleo de Bombas de Calor Geotérmicas (BCG). La función básica de una BCG es proveer calefacción/refrigeración a un espacio. Un sistema de BCG está formado por los siguientes elementos:

  • 1 intercambiador de calor (IC) que extrae el calor del subsuelo o lo introduce en él
  • 1 bomba de calor (BC) que transfiere el calor entre el sistema de distribución y el IC
  • 1 sistema de distribución de energía que entrega calefacción/refrigeración al espacio a climatizar

De acuerdo con el artículo “Utilización directa de la energía geotérmica 2015 a nivel mundial”, publicado por los académicos J. W. Lund, Ruggero Bertani, and Tonya L. Boyd, los usos directos de esta fuente de energía tienen fines recreativos. En el caso de México, la mayor parte del recurso geotérmico se emplea para producir electricidad.

En este artículo, se presenta el consumo energético para una BCG y el comparativo con tecnologías convencionales, es un proyecto dirigido a brindar calefacción al preescolar Tierra y Libertad, localizado en el poblado de Los Humeros, en el municipio de Chignautla, al noroeste de Puebla.

Bomba de calor de 2 toneladas vertical utilizada en la escuela preescolar

PERFIL CLIMÁTICO Y EQUIPOS INSTALADOS

De acuerdo con el Sistema de Clasificación de Climas de Köppen, Los Humeros presenta un clima semiárido templado. La estación meteorológica No. 21209 Los Humeros-CFE registró una temperatura anual promedio de 11 °C, en el período comprendido de 1981 a 2010. Los meses más fríos son de noviembre a febrero con temperaturas cercanas a 0 °C o inferiores.

El espacio seleccionado para la instalación de la BCG está constituido por un aula de 73 metros cuadrados (imagen inferior), la cual alberga el jardín de niños Tierra y Libertad. El edificio está orientado hacia el norte, y cuenta con una demanda térmica de 8 kWt para satisfacer la temperatura de confort térmico en el interior del inmueble.

El perfil de temperaturas del subsuelo de Los Humeros presenta una estabilidad a poca profundidad, debido a la falla geológica de la zona, que tiene una gran aportación con respecto a la contribución de las condiciones climatológicas del lugar.

La oscilación máxima en el subsuelo es de 5 °C, los primeros 2 metros, y de 2 °C las siguientes profundidades (3 – 7 metros), lo que significa un comportamiento óptimo para la instalación de un IC horizontal a una profundidad de 2 a 4 metros, además de que se tiene una temperatura promedio de 28 °C, lo que permite que la temperatura de entrada a la BCG no exceda la máxima temperatura permitida que es de 35 °C.

Se utilizó una BCG tipo vertical de 2 toneladas de capacidad tipo agua-aire (ver imagen superior), lo que se tradujo en la instalación de un IC enterrado en el subsuelo, que emplea como fluido de trabajo agua y un sistema de distribución de energía mediante aire forzado.

Adicionalmente, se empleó un IC tipo slinky para satisfacer la demanda del jardín de niños con la siguiente configuración: tubería de 3/4” de Polietileno de Alta Densidad (PEAD) de una longitud de 800 metros, para emplearse en tres trincheras de 27 metros de largo por 1 de ancho y dos metros de profundidad.

EFICIENCIA DE LAS BCG

El concepto de eficiencia energética se define como el uso eficiente de la energía, sea de un equipo eléctrico, proceso o instalación. Éstos son energéticamente eficientes cuando consumen una cantidad inferior de energía para realizar una actividad. Asimismo, las emisiones de CO2 que se envían a la atmósfera son cada vez mayores y, por ese motivo, la eficiencia energética se ha convertido en una solución para la reducción de emisiones. 

Una BCG tiene las bondades de no emitir grandes cantidades de CO2 a la atmósfera y un consumo de electricidad menor que las tecnologías convencionales.

El sistema BCG de Los Humeros tiene el objetivo de cuantificar su comportamiento eléctrico. Ha operado alrededor de 74 días y registrado un consumo acumulado cada 15 minutos, por medio de un medidor de energía.

Según el registro, se reportaron 3.6 kWh de consumo promedio por día, un consumo total acumulado de 268.4 kWh, y se alcanzó una temperatura óptima de confort dentro del preescolar.

Si se compara este sistema con uno convencional (calefactores de gas, calefactores eléctricos, aires acondicionados, minisplits, etcétera), se calcula que los ahorros de energía son de alrededor de un 75 por ciento.

Actualmente, el sistema BCG instalado en Los Humeros está en operación y trabaja, predominantemente, en modo calefacción, pero se tienen otros dos planes demostrativos en desarrollo. El primero está ubicado en la Universidad Politécnica de Baja California, en Mexicali, cuyo sistema trabajará en modo refrigeración; sólo en los casos en los que hubiera descensos fuertes de temperatura podrá emplearse en modo calefacción (ambas modalidades son proporcionadas por el mismo sistema de BCG).

El segundo sistema de bomba de calor geotérmica para evaluación y capacitación se ubica en las instalaciones del instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) en Cuernavaca, Morelos. Cabe señalar que esta instalación brindará calefacción y refrigeración dependiendo de la época del año, además de permitir realizar análisis de eficiencia energética, conductividad térmica. Asimismo, se convertirá en el Centro de Evaluación, Capacitación y Certificación en Bombas de Calor Geotérmicas (CECCAB).

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* Investigadores del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL).

Este artículo fue publicado originalmente en el Boletín de Eficiencia Energética (Núm. 06, octubre 2018) de la SENER, bajo el título “Consumo energético de un Sistema de Bomba de Calor Geotérmica para el acondicionamiento de espacios habitacionales en Puebla”. El INEEL agradece al Centro Mexicano de Investigación en Energía Geotérmica (CeMIEGeo) por el apoyo al Proyecto P-13.

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