ES2322686B1 - Sistema de aprovechamiento de la energia geotermica renovable. - Google Patents
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Abstract
Sistema de aprovechamiento de la energía
geotérmica renovable.
En el sistema hay una instalación geotérmica (1)
que incluye un circuito exterior de agua o fluido caloportador que
intercambia energía calorífica con un terreno (3) para aplicarse en
al menos una vivienda (2) mediante su conexión con una bomba de
calor (5) que a su vez conecta con un equipo o circuito de
distribución interior (6). El referido circuito exterior se ubica
enterrado en una zona geotérmica renovable (4) del terreno (3) y se
constituye en un circuito cerrado o semicerrado que conecta con la
bomba de calor (5) a través de una tubería de impulsión (7) y una
tubería de retorno (11); disponiéndose en este circuito exterior un
canal especial (8) en el que se efectúa el intercambio energético,
de manera que el agua o fluido caloportador se regenera
térmicamente a su paso por este canal (8) para volver a emplearse
en el sistema.
Description
Sistema de aprovechamiento de la energía
geotérmica renovable.
La presente invención, tal y como se expresa en
el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema
de aprovechamiento de la energía geotérmica renovable cuyas
finalidades esenciales consisten en eliminar los inconvenientes
derivados de la limitación o carencia de manantiales de agua,
realizar un aprovechamiento renovable del terreno, así como en
reducir los costes de instalación de un sistema geotérmico, en
comparación con sistemas no renovables que necesitan de realización
de importantes perforaciones. Para ello, el circuito de la
invención cuenta con un circuito exterior que se entierra en una
zona geotérmica renovable y que cuenta con un canal especial en el
que, en circuito cerrado o semicerrado, se efectúa un intercambio
energético para que el agua o fluido caloportador se regenere
térmicamente a su paso por dicho canal y vuelva a emplearse en el
sistema.
La invención se enmarca en el sector de las
energías renovables, concretamente en el aprovechamiento de la
energía interna del terreno para su posterior aplicación en
instalaciones de climatización, calefacción o cualquier otro
sistema que necesite aporte o liberación de calor o energía. Con la
invención se desarrolla un sistema de intercambio de energía entre
fluido y terreno que elimina problemas de pérdidas de agua en el
proceso de intercambio energético geotérmico, con lo que el agua,
determinante del fluido caloportador, deja de ser un factor
limitante y el coste de realización de la correspondiente
instalación disminuye respecto a sistemas convencionales, al no ser
necesario en el presente sistema la realización de un elevado
número de perforaciones en el terreno, ni que las mismas sean de
mucha profundidad. Mediante la invención se obtiene un sistema
geotérmico renovable y sostenible, donde ni el terreno ni el agua
como fluido caloportador son factores limitantes de la instalación
y donde dicha instalación tiene unos costes menores que los de los
sistemas de aprovechamiento de energía geotérmica
convencionales.
Son conocidas las instalaciones geotérmicas que
aprovechan la inercia térmica de la tierra a profundidades que van
de unos pocos metros hasta varios kilómetros de profundidad para
obtener agua a una temperatura adecuada para su empleo y
aprovechamiento en instalaciones de calefacción, climatización o
similares.
En una instalación geotérmica el terreno sirve
como medio para captación de calor en los meses de invierno,
mientras que en las épocas estivales sirve como medio de liberación
del calor generado y que se desea disipar.
Básicamente, una instalación geotérmica
convencional está compuesta por los siguientes elementos:
- -
- Circuito de agua exterior: se encarga del movimiento y captación de agua exterior, sirviendo como sistema de alimentación de agua a una máquina bomba de calor en su circuito de condensación, además de intercambiar energía con el terreno, aprovechando la energía existente en el terreno.
- -
- Máquina bomba de calor: se compone esencialmente de compresor, condensador, evaporador y sistema de expansión, entre otros elementos auxiliares, encargándose de intercambiar energía entre un fluido refrigerante (que ha captado previamente frío o calor del agua exterior) y el fluido objeto de tratamiento (aire o agua).
- -
- Circuito de distribución interior: en virtud de este circuito o equipo de distribución interior, el aire o agua tratado y acondicionado, en cuanto a su temperatura y humedad, es llevado a las zonas o locales que se desean mantener en determinadas condiciones de confort, produciéndose un intercambio térmico.
El sistema geotérmico puede actuar en lazo
abierto en el caso de que se disponga en el terreno de una fuente
de agua de un pozo, río, embalse, acequia o lago, de manera que
una tubería colectora extrae el agua y la envía al intercambiador
de calor de la bomba de calor, liberando o captando calor y
retornando posteriormente, sin contaminarse del proceso.
Otra variante de sistema geotérmico es mediante
lazo cerrado, en el cual una red de tuberías enterradas en el
subsuelo, horizontales, verticales o sumergidas en volúmenes
considerables de agua, forma el circuito exterior de agua, de
manera que por su interior circula agua impulsada mediante un grupo
de circulación. Esta red de tuberías actúa como intercambiador de
calor en el que el agua circulante toma calor en los meses
invernales, liberándolo al terreno en los meses de verano.
En el estado de la técnica que conocemos se
aprecian diversos tipos de instalaciones. Así, en el documento de
Patente con número de publicación ES 2005556, se describe un
sistema de aprovechamiento geotérmico, donde el agua que alimenta
al circuito exterior es tomada de capas freáticas calientes del
terreno, presentando la problemática de tener un recurso natural
limitado en el tiempo.
En otras instalaciones, tales como las que se
indican en el documento de Patente con número de publicación ES
2019734, se emplean zonas de rocas para realizar sondeos de
considerable profundidad, disponiendo en el interior del sondeo un
circuito de circulación de agua que intercambia energía con el
terreno. En este tipo de instalaciones, para evitar el agotamiento
del terreno, puesto que las rocas transmiten muy mal el calor, se
deben realizar varios sondeos en distintos puntos del terreno, para
alternar su uso, dejando así reposar al terreno para que se cargue
de energía, lo que representa inconvenientes relativos a un gran
coste de instalación.
Existen variantes de instalaciones geotérmicas
en las que se instalan paneles o colectores geotérmicos, en los
cuales el fluido circula por unos paneles con tubos en su interior,
dispuestos en el terreno, según lo indicado en el documento de
Patente con número de publicación ES 2279702.
La gran mayoría de las instalaciones actuales
que emplean la energía geotérmica realizan sondeos en el terreno
de cierta profundidad, asociados o no a un pozo, por los que
circula agua que será la encargada de captar o ceder la energía,
como por ejemplo los documentos de Patente nos. 2132658 y
2246476.
El documento de Patente con número de
publicación US 6250371, describe una instalación geotérmica en la
que se regula su funcionamiento en función de las temperaturas de
entrada y salida del agua. Como instalación exterior de intercambio
de calor, describe la construcción de pozos rellenos de un material
térmico conductor para favorecer el intercambio entre fluido
caloportador y suelo. De igual manera, el documento de Patente con
número de publicación DE202004014113U desarrolla una instalación
geotérmica en la que es necesaria la ejecución de un sondeo
vertical, en donde se debe disponer de un tubo corrugado, relleno
de bentonita, por cuyo interior circulan los conductos que sirven
como medio de intercambio entre terreno y fluido caloportador.
Finalmente, mencionar el documento de Patente con número de
publicación US 526151, en donde el sistema de intercambio
terreno-fluido caloportador consiste en una serie
de tubos enterrados horizontalmente.
Los sistemas a los que se refieren todos estos
documentos presentan inconvenientes relativos a que necesitan de la
realización de un gran número de sondeos, tanto verticales (los
cuales se prolongan a una profundidad considerable) como
horizontales.
Los sistemas actuales de captación geotérmica
pueden ser superficiales, aprovechando la energía renovable del
suelo hasta una profundidad de 20 metros, o bien profundos,
obteniéndose energía a partir de los 20 metros de profundidad. De
todos ellos, los que funcionan mediante extracción de agua
(acuíferos, manantiales u otras fuentes de agua), a más o menos
temperatura, son los más comunes.
De lo que se ha expuesto, se pueden apreciar dos
inconvenientes principales en las instalaciones geotérmicas
actuales:
- -
- La limitación temporal del agua, ya que muchas instalaciones toman agua de distintas fuentes naturales, pero no la reutilizan, sino que la retornan en unas condiciones distintas a las iniciales. Asimismo, pueden darse casos de terminación de los acuíferos, desvío del manantial de agua a pozos para otros usos, presencia en zona de obras y otras limitaciones en el aporte de agua.
- -
- Elevados costes económicos derivados de la realización de sondeos de considerable profundidad, o de un elevado número de sondeos para el intercambiador agua-terreno.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención
consiste en un sistema de aprovechamiento de la energía geotérmica
renovable, donde hay una instalación geotérmica que incluye un
circuito exterior de agua o fluido caloportador que intercambia
energía calorífica con un terreno para aplicarse en al menos una
vivienda mediante su conexión con una bomba de calor que a su vez
conecta con un equipo o circuito de distribución interior.
Novedosamente, según la invención, el referido
circuito exterior se ubica enterrado en una zona geotérmica
renovable del terreno y se constituye en un circuito cerrado o
semicerrado que conecta con la bomba de calor a través de una
tubería de impulsión y una tubería de retorno; disponiéndose en
este circuito exterior un canal especial en el que se efectúa el
intercambio energético, de manera que el agua o fluido caloportador
se regenera térmicamente a su paso por este canal para volver a
emplearse en el sistema.
Opcionalmente, según una realización preferente
de la invención, en el referido circuito exterior se dispone un
depósito o pozo de determinada profundidad que conecta con el canal
especial y con la tubería de retorno.
El aludido canal especial puede presentar un
dimensionado, geometría, composición y ubicación variables en
función de la aplicación concreta del sistema; pudiéndosele dotar
en su interior de un lecho realizado con un material especial que
facilita el intercambio energético.
Por otra parte, la aludida tubería de retorno
tiene que contar con un sistema de circulación, pudiendo ser una
bomba circuladora.
\newpage
Con la estructura que se ha descrito, el sistema
de la invención presenta las siguientes principales ventajas:
El canal especial posibilita la captación,
movimiento, intercambio y recuperación del fluido caloportador a su
paso por la zona renovable del terreno, quedando disponible de
nuevo para el sistema geotérmico, con lo que se eliminan así los
problemas de limitación de agua existentes en sistemas
convencionales.
Además, el sistema de la invención, permite un
menor coste de ejecución de la instalación, ya que no es necesario
realizar un elevado número de perforaciones en el terreno, ni que
dichas perforaciones sean de mucha profundidad. Con ello se logra
un sistema geotérmico renovable y sostenible donde ni el terreno ni
el agua como fluido caloportador son factores limitantes de la
instalación.
La presente invención, mediante un novedoso
método de reutilización del agua del circuito exterior del sistema,
elimina fundamentalmente el problema de disponibilidad de agua, al
desarrollar un sistema de aprovechamiento de la energía geotérmica
renovable y sostenible en el tiempo, de modo que el agua empleada
en el circuito exterior de intercambio con el terreno discurre por
un novedoso intercambiador de energía que sirve de medio de
captación, movimiento y recuperación de dicho agua, estando
disponible de nuevo para el intercambio de calor en la bomba de
calor del sistema, evitándose además la realización de un
considerable número de sondeos en el terreno que requieren otros
sistemas, así como una menor profundidad que la que requieren los
sistemas convencionales.
Por otra parte, el canal especial del sistema de
la invención presenta ventajas relativas a que puede presentar un
recorrido de muy diversos trazados y geometrías, así como
dimensiones y ubicaciones, pudiendo incluso discurrir por debajo
del edificio o vivienda en el que se aplica el sistema, eliminando
así problemas de limitación de espacio en el exterior de ese
edificio.
Otra ventaja de la invención consiste en el
material especial para el lecho del canal especial y mayor
aprovechamiento energético; siendo también ventajosa la inclusión
opcional de un pozo o depósito para un funcionamiento más estable y
continuo de la correspondiente instalación geotérmica, de manera
que al ubicarse este pozo o depósito en la salida del canal
especial se puede almacenar el agua regenerada térmicamente para
ser tomada por la correspondiente bomba de calor de forma directa o
bien a través de una electrobomba que se incluya en la tubería de
retorno.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompaña una figura única en la que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa una vista esquemática y a
nivel de bloques funcionales de un sistema de aprovechamiento de
la energía geotérmica renovable, realizado según la presente
invención.
Seguidamente se realiza una descripción de un
ejemplo de la invención, haciendo referencia a la numeración
adoptada en la figura.
Así, según se observa en la figura 1, el sistema
del presente ejemplo consiste en una instalación geotérmica 1
aplicada a una vivienda convencional 2, o grupo de viviendas, cuyo
ambiente interior se pretende climatizar mediante un aporte de
calor o frío según un ciclo de funcionamiento, para lo cual se
instala una máquina bomba de calor geotérmica 5 en la que la
producción de energía calorífica o frigorífica, según un ciclo de
trabajo, satisface las necesidades energéticas de la vivienda 2.
Mediante esta bomba de calor 5 el calor o frío necesario para la
vivienda 2 son tomados del terreno exterior circundante 3. Para
ello, la bomba de calor 5, mediante tecnología de compresión
mecánica, es capaz de transmitir calor o frío entre el terreno 3 y
el interior de la vivienda 2.
La bomba de calor 5 cede energía producida a un
equipo de distribución interior 6 compuesto principalmente por
medios de distribución y medios emisores de energía, tales como
radiadores, suelo radiante, fan-coils, u otro
sistema de entrega de energía.
La bomba de calor geotérmica 5 funciona mediante
un sistema agua-agua, en donde el calor producido
(en verano) en el ciclo frigorífico y procedente del interior de la
vivienda 2 es cedido a un fluido caloportador (en este caso agua),
mientras que en invierno es el fluido caloportador el que cede
calor a la bomba de calor 5. Para realizar tal función se dispone
de una tubería de impulsión 7 de fluido caloportador al exterior,
así como de una tubería de retorno 11 de fluido caloportador del
exterior, que conectan con la bomba 5, tal y como se ilustra en la
figura 1. A partir de estas tuberías 7 y 11 hacia el exterior, se
constituye el circuito externo del sistema.
Estas tuberías de impulsión 7 y retorno 11 se
encuentran enterradas, al igual que el resto del referido circuito
externo, en una zona geotérmica renovable 4 del terreno 3.
En la tubería de retorno 11 se dispone de un
sistema de circulación 12 para conseguir el retorno del fluido
caloportador.
El intercambio de calor entre el fluido
caloportador y el terreno se hace en virtud de un canal especial 8,
construido a base de hormigón, preferentemente, entre otros
materiales de posible utilización, con sección, profundidad,
longitud, composición y trazado adecuados a la aplicación concreta
y en cuyo interior se ha depositado un lecho de material especial 9
que facilita el intercambio energético entre el fluido caloportador
y el terreno. Así, este canal especial 8 capta el fluido
caloportador de la tubería de impulsión 7 procedente de la bomba de
calor 5. Dicho fluido captado discurre por el canal 8 en toda su
longitud, intercambiando energía con el terreno, recuperando al
final del mismo la temperatura adecuada para ser de nuevo
reutilizado por la bomba de calor 5. Por tanto, el canal especial 8
posibilita la captación, movimiento y recuperación del fluido
caloportador en el circuito exterior.
En el ciclo de invierno, el fluido caloportador,
que vendrá más frío que el terreno 3 capta calor de dicho terreno
3, mientras que en verano el fluido caloportador cede al terreno 3
el calor que ha captado en el interior de la vivienda 2.
Opcionalmente, se puede disponer de un pozo o
depósito 10 con una profundidad h que capte el fluido caloportador
una vez que ha pasado por el canal especial 8 y se ha regenerado,
tal y como se ilustra en la figura 1, posibilitando así un
funcionamiento más estable y continuo del sistema.
Como se indicó anteriormente, toda la
instalación correspondiente al circuito externo se instala dentro
de la zona geotérmica renovable 4 del terreno 3, con lo que todas
las profundidades de la instalación tienen una cota comprendida en
dicha zona geotérmica renovable 4.
Claims (4)
1. Sistema de aprovechamiento de la energía
geotérmica renovable, donde hay una instalación geotérmica que
incluye un circuito exterior de agua o fluido caloportador que
intercambia energía calorífica con un terreno (3) para aplicarse en
al menos una vivienda (2) mediante su conexión con una bomba de
calor (5) que a su vez conecta con un equipo o circuito de
distribución interior (6); caracterizado porque el referido
circuito exterior se ubica enterrado en una zona geotérmica
renovable (4) del terreno (3) y se constituye en un circuito
cerrado o semicerrado que conecta con la bomba de calor (5) a
través de una tubería de impulsión (7) y una tubería de retorno
(11); disponiéndose en este circuito exterior un canal especial (8)
en el que se efectúa el intercambio energético, de manera que el
agua o fluido caloportador se regenera térmicamente a su paso por
este canal (8) para volver a emplearse en el sistema.
2. Sistema de aprovechamiento de la energía
geotérmica renovable, según la reivindicación 1,
caracterizado porque en dicho circuito exterior se dispone
un depósito o pozo (10) de determinada profundidad (h) que conecta
con el canal especial (8) y con la tubería de retorno (11).
3. Sistema de aprovechamiento de la energía
geotérmica renovable, según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el canal especial (8) presenta un
dimensionado, geometría, composición y ubicación variables en
función de la aplicación concreta del sistema; dotándosele en su
interior de un lecho realizado con un material especial (9) que
facilita el intercambio energético; y construido a base de hormigón,
preferentemente, entre otros materiales de posible utilización.
4. Sistema de aprovechamiento de la energía
geotérmica renovable, según una cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la tubería de retorno (11)
cuenta con una bomba circuladora (12), u otro sistema de
circulación.
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2010
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