Evaluación de un sistema de climatización con bomba de calor geotérmica para una casa representativa en diferentes climas de Chile

Abstract

La energía geotérmica, ya sea de alta, mediana o baja entalpía, tiene un desarrollo insuficiente en Chile, debido en parte al alto costo de implementación, en conjunto de escasos estudios locales y específicos para el desarrollo de esta. Es por esto que se hace necesario aportar con estudios técnicos y económicos para distintos casos en Chile. El estudio se centra en realizar un análisis técnico-económico para el uso de energía geotérmica de baja entalpía, mediante la utilización de un sistema de climatización residencial evaluando 9 diferentes regiones del país en una vivienda de 77 [m2]. El sistema de climatización se basa en bomba de calor geotérmica (BCG), utilizando intercambiadores de calor geotérmicos (ICG) de tubos enterrados horizontalmente a 1,5 [m] de profundidad en ciclo cerrado y ventiloconvector (fancoil) como sistema de distribución. La metodología que se aborda en este trabajo comprende una primera parte de recolección de antecedentes para la cuantificación de cargas térmicas de la vivienda, para posteriormente dimensionar la bomba de calor geotérmica. Los antecedentes recolectados se integran a un modelo computacional (de MatLab) para la rápida adquisición de resultados por ciudad evaluada, las cuales corresponden a Arica, Calama, Vallenar, Coquimbo, Santiago, Temuco, Valdivia, Coyhaique y Punta Arenas. Con la evaluación técnica definida, se realiza una evaluación económica mediante el costo nivelado de energía (CNdE), para luego desarrollar una comparación entre las distintas ciudades haciendo una valoración de distintas variables como la capacidad térmica de la BCG, la demanda energética de la vivienda, el coeficiente de operatividad (COP), un indicador de transferencia de calor por metro lineal de tubería (que indica la calidad del recurso geotermal de baja entalpía) y el CNdE. El modelo computacional se valida comparando resultados como la carga térmica del hogar, el ciclo termodinámico resultante, el COP y su eficiencia respecto al COP máximo teórico y el indicador de transferencia de calor por metro lineal de tubería, todo respecto a la bibliografía utilizada. La ciudad con menor y mayor potencia térmica de BCG corresponde a Coquimbo y Santiago con 3,11 y 5,31 [kW] respectivamente. Así mismo, la localidad con menor y mayor demanda energética concierne a Coquimbo y Punta Arenas con 7.641 y 19.824 [kWht/año] respectivamente. Por otra parte, la ubicación con mayor y menor COP pertenece a Arica y Coyhaique, con 4,53 y 3,33 (donde el COP mínimo factible para la implementación de BCG es de 2,97). Luego, la zona con mayor índice de transferencia de calor por metro lineal compete a Punta Arenas y Coyhaique con 13,96 [W/m] y Valdivia con el menor índice, de 10,34 [W/m]. Por último, el menor y mayor CNdE corresponde a Punta Arenas y Arica con 54 y 77 [$/kWht] respectivamente. La ciudad recomendada para la implementación de BCG, respecto a la valoración de variables realizada corresponde a Punta Arenas, seguido por Coyhaique y Vallenar.