Se denominan Bombas de Calor Geotérmicas a los sistemas de climatización que, utilizando la
energía renovable en forma de calor contenida en el subsuelo, permiten lograr ratios de
eficiencia en el consumo energético mayores que en los sistemas convencionales. El
aprovechamiento de esta energía renovable se realiza a través de un intercambiador de calor
enterrado (ICE), el cual permite absorber o ceder calor al suelo según el proceso de
climatización que se lleve a cabo.
El presente trabajo tiene como objetivo entregar los conceptos teóricos y permitir de manera
rápida y sencilla hacer frente al proceso de dimensionado del ICE, lo que resulta esencial en el
diseño y en el buen funcionamiento de estos sistemas. Para lograr estos objetivos el trabajo
entrega una descripción detallada de los componentes de estos sistemas de climatización,
revisa en profundidad los fundamentos teóricos detrás del cálculo de la longitud del
intercambiador de calor y presenta un modelo computacional Excel que permite de manera
expedita realizar el dimensionamiento del ICE.
La metodología utilizada en el desarrollo del trabajo se basó en primer lugar en una revisión
bibliográfica de los sistemas de climatización con bombas de calor geotérmicas. Se utilizaron
principalmente documentos desarrollados por la IGSHPA (International Ground Source Heat
Pump Association), por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-
Conditioning Engineers) y por el instituto español IDAE (Instituto para la Diversificación y
Ahorro de Energía). Posteriormente y en base a la bibliografía existente se seleccionó el
método para el dimensionamiento de los intercambiadores de calor. Este corresponde al
método original desarrollado por la ASHRAE y simplificado a través de los trabajos realizados
por Bernier, M.A., que a través de funciones correlativas logra simplificar en gran medida los
cálculos a ejecutar en el dimensionamiento del ICE. Una vez hecha la revisión bibliográfica y
teórica del método de dimensionamiento se procedió a su implementación en Microsoft Excel
por tratarse esta de una herramienta computacional ampliamente disponible y difundida.
Finalmente se procedió a la validación de la herramienta implementada para lo cual se
utilizaron los trabajos realizados por Shonder, J.A., quien ha publicado diversos estudios que
comparan distintas herramientas de dimensionamiento presentes en el mercado.
Los resultados obtenidos muestran que el modelo y herramienta computacional
implementados entregan valores de longitud de ICE acorde con los entregados por otros
modelos y sistemas computacionales. Se realizaron validaciones tanto para modelos
comerciales como residenciales, logrando en el primer caso un resultado 13% mayor y en el
segundo caso un 9% mayor, ambos porcentajes respecto del promedio obtenido mediante los
otros modelos disponibles. Cabe señalar que el modelo implementado permite el
dimensionamiento de perforaciones verticales, quedando excluido el dimensionamiento de
sistemas de climatización geotérmica en que el ICE se encuentra instalado horizontalmente.El presente trabajo permite al lector obtener de manera rápida y sencilla los conocimientos
sobre los sistemas de climatización geotérmica y entrega la posibilidad, a través del modelo
implementado, de generar un primer dimensionamiento de un caso particular que se desee
estudiar. Este último hecho resulta a la vez ser una oportunidad para el lector dado el costo
que representa obtener un sistema de dimensionamiento comercial y la mayor dificultad en su
uso. Sin embargo se debe tener presente, como ya se señaló, que el estudio abarca
únicamente los intercambiadores de calor verticales y que en caso se desee ejecutar un
sistema industrial es recomendable el uso de sistemas comerciales.
Mediante el desarrollo del trabajo se ha podido concluir entre otros aspectos que los sistemas
de climatización con bombas de calor geotérmicas son una alternativa eficiente en la
climatización de viviendas y/o edificios comerciales. El modelo teórico y la herramienta
computacional implementada permiten determinar de manera expedita y sencilla el largo de
un intercambiador de calor enterrado vertical obteniendo resultados acordes con otros
modelos comerciales. Se observó además, a partir de los análisis de sensibilidad realizados,
que las variables con mayor efecto en la magnitud del ICE corresponden a aquellas
relacionadas con el terreno, esto es, temperatura imperturbable del terreno, conductividad y
capacidad térmica de este.
Se señala finalmente como tarea futura a desarrollar para la ampliación del presente trabajo el
estudio teórico y la actualización de la herramienta computacional para que permita
dimensionar intercambiadores de calor horizontales. Esta posible ampliación tiene su
fundamento en el hecho de que los intercambiadores de calor enterrados horizontales suelen
utilizarse en sistema de climatización de menor tamaño, como lo pueden ser para una
vivienda, y dado que su implementación resulta en un menor costo de inversión inicial