Bomba de calor geotérmica - Ground source heat pump

Una bomba de calor en combinación con almacenamiento de calor y frío.

Una bomba de calor de fuente terrestre (también 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 de fuente terrestre (GSHP), o bombas de calor geotérmicas (GHP), como se las denomina comúnmente en América del Norte, se encuentran entre las tecnologías de mayor eficiencia energética para proporcionar HVAC y calentamiento de agua utilizando 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 da como un coeficiente de rendimiento (CoP) que normalmente se encuentra 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 para otros sistemas de calefacción debido al requisito de instalar circuitos de tierra en áreas grandes o perforar pozos, y por esta razón , a menudo se usan bombas de calor con fuente de aire .

Historia

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 usarla para extraer calor del suelo en 1912.

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 línea de tiempo exacta de su invención. 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 . El profesor Carl Nielsen de la Universidad Estatal de Ohio construyó la primera versión residencial de circuito abierto en su casa en 1948.

La tecnología se hizo popular en Suecia en la década de 1970 como resultado de la crisis del petróleo de 1973 , y desde entonces ha ido creciendo lentamente en aceptación mundial. Los sistemas de circuito abierto dominaron el mercado hasta que el desarrollo de la tubería de polibutileno en 1979 hizo que los sistemas de circuito cerrado fueran económicamente viables.

En 2004, hay más de un millón de unidades instaladas en todo el mundo que proporcionan 12 GW de capacidad térmica con una tasa de crecimiento del 10% anual. Cada año, se instalan unas 80.000 unidades en EE. UU. Y 27.000 en Suecia. En Finlandia, una bomba de calor geotérmica fue la opción de sistema de calefacción más común para las nuevas viviendas unifamiliares entre 2006 y 2011, con una cuota de mercado superior al 40%.

Arreglo

Disposición interna

Bomba de calor de líquido a agua

La bomba de calor , que es la unidad central que se convierte en la planta de calefacción y refrigeración del edificio, se presenta en dos variantes principales:

Las bombas de calor de líquido a agua (también llamadas agua a agua ) son sistemas hidrónicos que llevan la calefacción o la refrigeración a través del edificio a través de tuberías hasta los 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 generalmente solo calientan el agua a aproximadamente 55 ° C (131 ° F) de manera eficiente, mientras que las calderas generalmente operan a 65–95 ° C (149–203 ° F). 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 el reemplazo por radiadores más grandes al adaptar una casa de la caldera a la bomba de calor. Cuando se usa para enfriar, la temperatura del agua en circulación normalmente debe mantenerse por encima del punto de rocío para asegurar que la humedad atmosférica no se condense en el radiador.

Las bombas de calor de líquido a aire (también llamadas agua a aire ) emiten aire forzado y se utilizan con mayor frecuencia para reemplazar los sistemas de aire acondicionado central y los hornos de aire forzado heredados. Hay 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 sea necesario ampliar la red de conductos existente para reducir el ruido del flujo de aire más alto.

Intercambiador de calor de tierra

Un bucle deslizante horizontal antes de ser cubierto con tierra.

Las bombas de calor de fuente terrestre 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 el rendimiento del sistema sea muy ineficiente; por lo tanto, el diseño preciso del sistema es fundamental para un sistema exitoso

Las tuberías del 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 tiene el potencial menos dañino cuando puede filtrarse al suelo y, por lo tanto, es el único anticongelante permitido en fuentes terrestres en un número cada vez mayor de países europeos.

Horizontal

Un campo de circuito cerrado horizontal se compone de tuberías que se colocan en un plano en el suelo. Se cava una zanja larga , más profunda que la línea de congelación , y se extienden espirales en forma de U o escurridizos dentro de la misma zanja. Los intercambiadores de calor horizontales de poca profundidad 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 se ve abrumado 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 tierra más secos, ya que el agua conduce y almacena el calor mejor que los sólidos en la arena o el suelo. Si el suelo está naturalmente seco, las mangueras de remojo se pueden enterrar con el bucle de tierra para mantenerlo húmedo.

Vertical

Perforación de un pozo para calefacción residencial.

Un sistema vertical consta de 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 caloportador que absorbe (o descarga) calor desde (o hacia) el suelo. . Los pozos están espaciados por lo menos entre 5 y 6 m de distancia 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 otras épocas cuando haya exceso de calor disponible. Los sistemas verticales se utilizan normalmente cuando no hay suficiente terreno disponible para un sistema horizontal.

Los pares de tuberías en el orificio se unen con un conector cruzado en forma de U en la parte inferior del orificio 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. El espacio entre la pared del pozo y los tubos en forma de U generalmente se enlecha completamente con material de lechada o, en algunos casos, se llena parcialmente con agua subterránea. Por ejemplo, una casa unifamiliar que necesita 10 kW (3 toneladas ) de capacidad de calefacción puede necesitar tres pozos de 80 a 110 m (260 a 360 pies) de profundidad.

Perforación radial o direccional

Como alternativa a la excavación de zanjas, los bucles se pueden colocar mediante una mini perforación direccional horizontal (mini-HDD). Esta técnica puede colocar tuberías debajo de patios, caminos de entrada, jardines u otras estructuras sin perturbarlos, con un costo entre el de excavación de zanjas y perforación vertical. Este sistema también se diferencia de la perforación horizontal y vertical, ya que los bucles se instalan desde una cámara central, lo que reduce aún más el espacio en el suelo necesario. La perforación radial a menudo se instala de manera retroactiva (después de que se ha construido la propiedad) debido a la pequeña naturaleza del equipo utilizado y la capacidad de perforar debajo de las construcciones existentes.

Lazo abierto

En un sistema de circuito abierto (también llamado bomba de calor de agua subterránea), el circuito secundario bombea agua natural desde 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. Este es un problema mucho mayor con los sistemas de enfriamiento que con los sistemas de calefacción. Un sistema de pozo de columna permanente es un tipo especializado de sistema de circuito abierto en el que el agua se extrae del fondo de un pozo de roca profunda, se pasa a través de una bomba de calor y se devuelve a la parte superior del pozo. Un número creciente de jurisdicciones ha 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 ambientalmente racionales o un sistema de circuito cerrado.

Estanque

Sistema de bucle de estanque de 12 toneladas hundido en el fondo de un estanque

Un circuito cerrado para estanque consta de bobinas de tubería similares a un circuito deslizante unido a un marco y ubicado en el fondo de un estanque o fuente de agua del tamaño adecuado. Los estanques artificiales se utilizan como almacenamiento de calor (hasta un 90% de eficiencia) en algunas plantas centrales de calefacción solar , que luego extraen el calor (similar al almacenamiento en el suelo) a través de una gran bomba de calor para suministrar calefacción urbana .

Intercambio directo (DX)

La bomba de calor geotérmica de intercambio directo (DX) es el tipo más antiguo de tecnología de bomba de calor geotérmica donde el refrigerante en sí pasa a través del circuito de tierra. Desarrollado durante la década de 1980, este enfoque enfrentó problemas con el sistema de gestión de aceite y refrigerante , especialmente después de la prohibición de los refrigerantes CFC en 1989 y los sistemas DX ahora se utilizan con poca frecuencia.

Instalación

Debido al conocimiento técnico y al equipo necesario para diseñar y dimensionar el sistema correctamente (e instalar la tubería 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 International Ground Source Heat Pump Association ( IGSHPA ), la Geothermal Exchange Organization (GEO), la Canadian GeoExchange Coalition y la Ground Source Heat Pump Association mantienen listas de instaladores calificados en los EE. UU., Canadá y el Reino Unido. 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 con una mayor eficiencia.

Rendimiento térmico

El rendimiento de refrigeración se expresa típicamente en unidades de BTU / h / vatio como la relación de eficiencia energética (EER), mientras que el rendimiento de calefacción se reduce típicamente 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 exceder el 100% de eficiencia. Las bombas de calor de fuente terrestre pueden reducir el consumo de energía, y las correspondientes emisiones de contaminación del aire, hasta en un 72% en comparación con la calefacción por resistencia eléctrica con equipo de aire acondicionado estándar.

Los compresores eficientes, los compresores de velocidad variable y los intercambiadores de calor más grandes contribuyen a la eficiencia de la bomba de calor. Las bombas de calor de fuente terrestre residenciales en el mercado hoy en día tienen COP estándar que van de 2.4 a 5.0 y EER que van de 10.6 a 30. Para calificar para una etiqueta Energy Star , las bombas de calor deben cumplir con ciertas calificaciones mínimas de COP y EER que dependen del intercambiador de calor de tierra escribe. Para sistemas de circuito cerrado, el COP de calefacción ISO 13256-1 debe ser 3.3 o mayor y el EER de enfriamiento debe ser 14.1 o mayor.

Los estándares 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 la fuente de aire. Estos números normalmente no son aplicables y no deben compararse con las calificaciones de la bomba de calor de fuente terrestre. Sin embargo, Natural Resources Canada ha adaptado este enfoque para calcular los HSPF típicos ajustados estacionalmente para las bombas de calor de fuente terrestre en Canadá. Los HSPF del NRC variaron de 8,7 a 12,8 BTU / h / vatio (2,6 a 3,8 en factores adimensionales, 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 de bomba de calor entre sí, independientemente de otros componentes del sistema, el Instituto Americano de Refrigerantes (ARI) y más recientemente la Organización Internacional de Normalización han establecido algunas condiciones de prueba estándar . Las clasificaciones estándar ARI 330 fueron diseñadas para bombas de calor de fuente terrestre de circuito cerrado y asumen 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 del norte de EE. UU. Las clasificaciones estándar ARI 325 fueron diseñadas para bombas de calor de fuente terrestre de circuito abierto e incluyen dos conjuntos de clasificaciones para temperaturas de 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. Ninguno de estos estándares intenta tener en cuenta las variaciones estacionales. Las clasificaciones estándar ARI 870 están diseñadas para bombas de calor de fuente terrestre de intercambio directo. ASHRAE hizo la transición a ISO 13256-1 en 2001, que reemplaza ARI 320, 325 y 330. La nueva norma ISO produce calificaciones ligeramente más altas porque ya no presupuesta electricidad para bombas de agua.

El suelo sin adición o sustracción de calor artificial y a profundidades de varios metros o más permanece a una temperatura relativamente constante durante todo el año. Esta temperatura equivale aproximadamente a la temperatura media anual del aire de la ubicación elegida, generalmente de 7 a 12 ° C (45 a 54 ° F) a una profundidad de 6 metros (20 pies) en el norte de los Estados Unidos. Debido a que esta temperatura permanece más constante que la temperatura del aire a lo largo de las estaciones, las bombas de calor de fuente terrestre funcionan con una eficiencia mucho mayor durante temperaturas extremas del aire que los acondicionadores de aire y las bombas de calor de fuente de aire.

Análisis de transferencia de calor

Un desafío en la predicción de la respuesta térmica de un intercambiador de calor terrestre (GHE) es la diversidad de escalas de tiempo y espacio involucradas. En la transferencia de calor de los GEI intervienen cuatro escalas espaciales y ocho escalas temporales. 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 el cual el efecto de la capacidad calorífica del material de relleno es significativo. La segunda dimensión espacial importante es la distancia media 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).

La respuesta de temperatura del suelo por hora a corto plazo es vital para analizar la energía de los sistemas de bombas de calor de origen terrestre 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 en circulación 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 pueden expresar como ${\ Displaystyle q_ {l} = [T_ {f} (t) -T_ {0}] / R (t)}$

donde T _f es la temperatura promedio del fluido en circulación, 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 debe determinarse mediante análisis de transferencia de calor. A pesar de que R ( t ) es una función del tiempo, los modelos analíticos lo descomponen exclusivamente en una parte independiente del tiempo y una parte dependiente del tiempo para simplificar el análisis.

En las referencias se pueden encontrar varios modelos para R independiente y dependiente del tiempo. Además, a menudo se realiza una prueba de respuesta térmica para realizar 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).

Almacenamiento térmico estacional

Una bomba de calor en combinación con almacenamiento de calor y frío.

La eficiencia de las bombas de calor de fuente terrestre se puede mejorar en gran medida mediante el almacenamiento de energía térmica estacional y la transferencia de calor entre estaciones . El calor capturado y almacenado en bancos térmicos en verano se puede recuperar de manera eficiente en 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 de distrito .

Se han utilizado combisystems geosolares para calentar y enfriar un invernadero utilizando un acuífero para almacenamiento térmico. En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea fría. Esto calienta el agua del acuífero, que puede convertirse en una fuente cálida de calefacción en invierno. La combinación de almacenamiento de frío y calor con bombas de calor se puede combinar con la regulación de agua / humedad. Estos principios se utilizan para proporcionar calor renovable y refrigeración renovable a todo tipo de edificios.

Además, la eficiencia de las pequeñas instalaciones de bombas de calor existentes se puede mejorar agregando colectores solares grandes, baratos y llenos de agua. Estos pueden integrarse en un estacionamiento a reformar o en paredes o construcciones de techos instalando tuberías de PE de una pulgada en la capa exterior.

Impacto medioambiental

La Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) ha calificado a las bombas de calor de fuente terrestre como los sistemas de acondicionamiento de espacios más eficientes en energía, ambientalmente limpios y rentables disponibles. Las bombas de calor ofrecen un potencial significativo de reducción de emisiones, especialmente cuando se utilizan tanto para calefacción como para refrigeración y donde la electricidad se produce a partir de recursos renovables.

Los GSHP tienen eficiencias térmicas insuperables y producen cero emisiones a nivel local, pero su suministro de electricidad 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.

Ahorro anual de gases de efecto invernadero (GEI) por el uso de una bomba de calor de fuente terrestre en lugar de un horno de alta eficiencia en una residencia separada (suponiendo que no haya un suministro específico de energía renovable)
País	Intensidad de las emisiones de CO _{2 de} electricidad	Ahorro de GEI en relación con
País	Intensidad de las emisiones de CO _{2 de} electricidad	gas natural	aceite de calefaccion	Calefacción eléctrica
Canadá	223 toneladas / GWh	2,7 ton / año	5,3 ton / año	3,4 ton / año
Rusia	351 toneladas / GWh	1,8 ton / año	4,4 ton / año	5,4 ton / año
nosotros	676 toneladas / GWh	−0,5 ton / año	2,2 ton / año	10,3 ton / año
porcelana	839 toneladas / GWh	−1,6 ton / año	1.0 ton / año	12,8 ton / año

El ahorro de emisiones de GEI de una bomba de calor sobre un horno convencional se puede calcular con base en la siguiente fórmula:

${\ Displaystyle GHG \ Savings = HL \ left ({\ frac {FI} {AFUE \ times 1000 {\ frac {kg} {ton}}}} - {\ frac {EI} {COP \ times 3600 {\ frac { sec} {hr}}}} \ right)}$

HL = carga de calor estacional ≈ 80 GJ / año para una casa unifamiliar moderna en el norte de EE. UU.
FI = intensidad de las emisiones de combustible = 50 kg (CO ₂ ) / GJ para gas natural, 73 para gasóleo de calefacción, 0 para energía 100% renovable como eólica, hidráulica, fotovoltaica o solar térmica
AFUE = eficiencia del horno ≈ 95% para un horno de condensación moderno
COP = coeficiente de rendimiento de la bomba de calor ≈ 3.2 ajustado estacionalmente para la bomba de calor del norte de EE. UU.
EI = intensidad de las emisiones de electricidad ≈ 200-800 ton (CO ₂ ) / GWh, dependiendo de la combinación de plantas de energía eléctrica de la región (carbón vs gas natural vs nuclear, hidroeléctrica, eólica y solar)

Las bombas de calor de fuente terrestre siempre producen menos gases de efecto invernadero que los acondicionadores de aire, los hornos de aceite 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 de baja emisión de electricidad, una bomba de calor residencial puede ahorrar 5 toneladas de dióxido de carbono por año en comparación con un horno de petróleo, o tanto como sacar un automóvil de pasajeros promedio de la carretera. Pero en ciudades como Beijing o Pittsburgh, que dependen en gran medida del carbón para la producción de electricidad, una bomba de calor puede generar 1 o 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 diseñarse para ser biodegradables y no tóxicos, pero el refrigerante utilizado en el armario 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. Aunque son inofensivas mientras están contenidas, las fugas y la eliminación inadecuada al final de su vida útil contribuyen a agrandar el agujero de ozono . Para las nuevas construcciones, este refrigerante se está eliminando gradualmente en favor del potente gas de efecto invernadero R410A , que no daña el ozono . El calentador de agua EcoCute es una bomba de calor de fuente de aire que utiliza dióxido de carbono como fluido de trabajo en lugar de clorofluorocarbonos . 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 el agua superficial con salmuera u otros compuestos del subsuelo.

Antes de perforar, se debe comprender la geología subterránea y los perforadores deben estar preparados para sellar el pozo, incluida la prevención de la penetración de agua entre los estratos. El desafortunado ejemplo es un proyecto de calefacción geotérmica en Staufen im Breisgau , Alemania, que parece ser la causa de daños considerables en edificios históricos allí. En 2008, se informó que el centro de la ciudad se había elevado 12 cm, después de hundirse inicialmente unos pocos milímetros. La perforación extrajo un acuífero presurizado naturalmente y, a través del pozo, esta agua ingresó a una capa de anhidrita, que se expande cuando se moja a medida que forma yeso. La hinchazón se detendrá cuando la anhidrita reaccione por completo, y la reconstrucción del centro de la ciudad "no es conveniente hasta que cese el levantamiento". Para 2010 no se había logrado el sellado del pozo. Para 2010, algunas secciones de la ciudad habían aumentado 30 cm.

Ciencias económicas

Las bombas de calor de fuente terrestre se caracterizan por altos costos de capital y bajos costos operativos en comparación con otros sistemas HVAC . 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 de fuente terrestre 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. 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 de fuente terrestre.

Los costos de capital y la vida útil del sistema han recibido mucho menos estudio hasta hace poco, y el retorno de la inversión es muy variable. Los datos más recientes de un análisis de los pagos de incentivos de 2011-2012 en el estado de Maryland mostraron un costo promedio de los sistemas residenciales de $ 1.90 por vatio, o alrededor de $ 26,700 para un sistema doméstico típico (4 toneladas / 14 kW). Un estudio anterior encontró que el costo total de instalación de un sistema con 10 kW (3 toneladas) de capacidad térmica para una residencia rural independiente en los EE. UU. Promedió entre $ 8000 y $ 9000 en dólares estadounidenses de 1995. Estudios más recientes encontraron un costo promedio de $ 14,000 en dólares estadounidenses de 2008 para el mismo tamaño de sistema. El Departamento de Energía de EE. UU. Estima un precio de $ 7500 en su sitio web, actualizado por última vez en 2008. Una fuente en Canadá colocó precios en el rango de $ 30 000 a $ 34 000 dólares canadienses. La rápida escalada en el precio del sistema ha ido acompañada de rápidas mejoras en eficiencia y confiabilidad. Se sabe que los costos de capital se benefician de las economías de escala, particularmente 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 mayor que el de un sistema de calefacción convencional en la mayoría de las aplicaciones residenciales, nuevas construcciones o existentes. En las remodelaciones, el costo de instalación se ve afectado por el tamaño de la sala de estar, la edad 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 de aire mecánico deben considerarse en el costo inicial del sistema.

Período de amortización por instalar una bomba de calor de fuente terrestre en una residencia independiente
País	Período de amortización para reemplazar
País	gas natural	aceite de calefaccion	Calefacción eléctrica
Canadá	13 años	3 años	6 años
nosotros	12 años	5 años	4 años
Alemania	pérdida neta	8 años	2 años
Notas: Muy variable con los precios de la energía. Subsidios gubernamentales no incluidos. Diferencias climáticas no evaluadas.

Los costos de capital pueden compensarse con subsidios gubernamentales; por ejemplo, Ontario ofreció $ 7000 por sistemas residenciales instalados en el año fiscal 2009. Algunas compañías eléctricas ofrecen tarifas especiales a los clientes que instalan una bomba de calor de fuente terrestre para calentar o enfriar su edificio. Donde las plantas eléctricas tienen cargas más grandes durante los meses de verano y capacidad inactiva 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 centrales eléctricas. Por las mismas razones, otras empresas de servicios públicos han comenzado a pagar por la instalación de bombas de calor terrestres en las residencias de los clientes. Alquilan los sistemas a sus clientes por una tarifa mensual, con un ahorro total neto para el cliente.

La vida útil del sistema es más larga que la de los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración. Aún no se dispone de buenos datos sobre la vida útil del sistema porque la tecnología es demasiado reciente, pero muchos de los primeros sistemas todavía están operativos hoy después de 25 a 30 años con mantenimiento de rutina. La mayoría de los campos de bucle tienen garantías de 25 a 50 años y se espera que duren al menos de 50 a 200 años. Las bombas de calor terrestres utilizan electricidad para calentar la casa. La mayor inversión por encima de los sistemas convencionales de petróleo, propano o eléctricos se puede devolver en ahorros de energía en 2 a 10 años para los sistemas residenciales en los EE. UU. Si se compara con los sistemas de gas natural, el período de recuperación puede ser mucho más largo o inexistente. El período de recuperación para los sistemas comerciales más grandes en los EE. UU. Es de 1 a 5 años, incluso en comparación con el gas natural. 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 puede extender la vida útil de un sistema.

Las bombas de calor geotérmicas están reconocidas como uno de los sistemas de calefacción y refrigeración más eficientes del mercado. A menudo son 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 terrestre es más cálida en climas que necesitan aire acondicionado fuerte y más fresca en climas que necesitan calefacción fuerte). La viabilidad financiera de estos sistemas depende del tamaño adecuado de los intercambiadores de calor terrestres (GHE), que generalmente contribuyen más a la costos de capital generales de los sistemas GSHP.

Los costos de mantenimiento de sistemas comerciales en los EE. UU. Han estado históricamente entre $ 0,11 y $ 0,22 por m ² por año en dólares de 1996, mucho menos que el promedio de $ 0,54 por m ² por año para los sistemas HVAC convencionales.

Los gobiernos que promueven la energía renovable probablemente ofrecerán incentivos para los mercados de consumidores (residencial) o industriales. Por ejemplo, en los Estados Unidos, los incentivos se ofrecen tanto a nivel estatal como federal de gobierno. En el Reino Unido, el Incentivo de calor renovable proporciona un incentivo financiero para la generación de calor renovable basado en lecturas medidas anualmente durante 20 años para edificios comerciales. El Incentivo de calor renovable nacional se introducirá en la primavera de 2014 durante siete años y se basará en el calor estimado.

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