SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICOS EN EDIFICIOS PÚBLICOS DE EXTREMADURA Y ALENTEJO

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1 SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICOS EN EDIFICIOS PÚBLICOS DE EXTREMADURA Y ALENTEJO

2 SOCIOS Manual Técnico de Gestión, Control y Mantenimiento de Sistemas de

3 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN FUNDAMENTOS DE LA GEOTERMIA El gradiente geotérmico El recurso geotérmico Geotermia somera APLICACIONES Geotérmica de alta entalpía Geotérmica de baja entalpía LA INSTALACIÓN GEOTERMICA Sistemas de intercambio con la tierra Bombas de calor Sistemas de intercambio con el edificio INTEGRACIÓN DE GEOTERMIA EN EDIFICIOS Consideraciones generales Consideraciones previas al proyecto Consideraciones en el proyecto ESTUDIO ECONÓMICO BIBLIOGRAFÍA 3

4 1. INTRODUCCIÓN Manual Técnico de Gestión, Control y Mantenimiento de Sistemas de Podemos decir que la energía geotérmica es, en su más amplio sentido, la energía calorífica que la tierra transmite desde sus capas internas hacia la parte más externa de la corteza terrestre. Proviene de un recurso natural renovable que es el calor del suelo, por un lado la desintegración de isótopos radiactivos; y, por otro, de movimientos diferenciales entre las distintas capas que constituyen la Tierra y del calor latente de la cristalización del núcleo externo. Hasta ahora, la utilización de esta energía en el mundo ha estado limitada a áreas en las cuales las condiciones geológicas eran muy favorables. Pero los avances tecnológicos actuales en equipos y las mejoras en la prospección y perforación, permiten a la geotermia a día de hoy disponer de tecnología para la producción de electricidad a partir de recursos geotérmicos de temperaturas notablemente inferiores a las que se precisaban años atrás y para la generación artificial de yacimientos estimulados en los que es precisa la intervención directa del hombre para la creación del yacimiento, lo que añade un gran potencial de futuro para la geotermia de alta temperatura. La energía geotérmica es, por tanto, una forma de aprovechamiento energético sostenible con presente y futuro, tanto desde el punto de vista de aprovisionamiento energético de elevadas garantías, como desde el punto de vista térmico, como alternativa de alta eficiencia energética frente a los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración. 4

5 2. FUNDAMENTOS DE LA GEOTERMIA. 2.1 EL GRADIENTE GEOTÉRMICO El calor geotérmico anteriormente descrito, se manifiesta al penetrar hacia las partes interiores de la Tierra, en forma de incremento de temperatura. Este incremento de la temperatura es lo que se conoce como gradiente geotérmico. Así, la temperatura del suelo por debajo de 5 metros es de aproximadamente 15ºC, independiente de las condiciones meteorológicas de la superficie o la estación del año. Entre los 15 y 20 metros de profundidad y en función de la situación geográfica, la estabilidad térmica es de unos 17ºC. Esta es la verdadera clave de su aprovechamiento en los edificios. Figura. Ejemplo de la relación Temperatura y la Profundidad. De forma general, el gradiente geotérmico observado en la mayor parte del globo es de unos 2,5-3 C cada cien metros. Es decir, que a medida que se profundiza en el interior de la corteza, la temperatura se va incrementando a un ritmo de unos 25 a 30 C cada mil metros. Es lo que se conoce como gradiente geotérmico normal. 5

6 2.2 EL RECURSO GEOTÉRMICO Se estima que la potencia geotérmica total que nos llega desde el interior la Tierra es de 4,2 x 1012 J. Una cantidad de energía tan grande que sólo una fracción de ella puede ser utilizada por la humanidad. A este calor que puede ser aprovechado por el hombre en condiciones técnicas y económicas, le llamamos recurso geotérmico. Los recursos geotérmicos de alta temperatura se aprovechan principalmente para la producción de electricidad, cuando se trata de yacimientos de alta temperatura (superiores a los ºC). Cuando la temperatura del yacimiento no es suficiente para producir energía eléctrica sus principales aplicaciones son térmicas en los sectores industrial, servicios y residencial. En el caso de temperaturas por debajo de los 100ºC puede hacerse un aprovechamiento directo o a través de bomba de calor geotérmica (calefacción y refrigeración). Cuando se trata de recursos de temperaturas muy bajas (por debajo de los 25ºC) las posibilidades de uso están en la climatización y obtención de agua caliente. 2.3 GEOTERMIA SOMERA El desarrollo de nuevas técnicas ha permitido aprovechar recursos geológicos de media y baja temperatura para producir calor. Estas técnicas de intercambio geotérmico, utilizan circuitos cerrados de agua con anticongelante, instalados en sondeos poco profundos o enterrados a muy poca profundidad en el terreno, junto con bombas de calor para satisfacer necesidades 6

7 de calefacción, refrigeración y producción de ACS en edificios. En invierno, el terreno transfiere el calor que almacena al agua con anticongelante, que se utiliza para calefacción, ya que la bomba geotérmica eleva su temperatura. En verano, el agua en circuito cerrado transfiere al terreno el exceso de calor del edificio, de forma que se obtiene refrigeración. El calor a baja temperatura, almacenado a poca profundidad en suelos, rocas y aguas subterráneas, se conoce como energía geotérmica somera o de baja entalpía. Figura. Principio de funcionamiento de la climatización geotérmica. Fuente: domo2. 7

8 3. APLICACIONES Manual Técnico de Gestión, Control y Mantenimiento de Sistemas de Las aplicaciones de la energía geotérmica están directamente relacionadas con la cantidad de energía que el suelo de la zona concreta pueda ceder o intercambiar a las sondas o intercambiadores de la instalación. Es decir, de entalpía del terreno. En esencia podemos diferenciar dos tipos o conjuntos de aplicaciones, la geotermia de alta entalpía y la geotermia de baja entalpía. 3.1 GEOTÉRMICA DE ALTA ENTALPÍA La energía geotérmica de alta entalpía es, aquella que normalmente se extrae de grandes profundidades y su aplicación está ligada a la generación de electricidad mediante un ciclo similar al utilizado en las centrales termo eléctricas convencionales. Dependiendo de las características del recurso geotérmico, la generación de electricidad se realiza mediante turbinas de vapor convencionales (ciclo Rankine) y plantas de ciclo binario. Figura. Esquema de producción eléctrica con geotermia. Claramente la utilización de los recursos geotérmicos como 8

9 fuente de energía primaria para la generación de electricidad, es una de las aplicaciones más importantes. Ahora bien, a medida que disminuye el nivel térmico del recurso aumenta el consumo específico de la central de generación, disminuyendo su rendimiento neto rápidamente. Actualmente sólo 24 países, hasta la fecha, la emplean de manera indirecta para generar energía eléctrica. Alta temperatura Media temperatura Baja temperatura Más de 150 o C: A estas temperaturas se obtiene vapor con el que producir directamente energía eléctrica. Entre 100 o C y 150 o C: Es posible producir energía eléctrica pero a través de un fluido de intercambio. Entre 40 o C y 100 o C: No suficiente para producir electricidad pero si para calefacción de balnearios, deshidratación de vegetales, invernaderos, secado de madera, bombas de calor, etc. Figura. Categorías de aprovechamiento de alta entalpía. 3.2 GEOTÉRMICA DE BAJA ENTALPÍA La energía geotérmica destinada a usos domésticos para generar calefacción, refrigeración o agua caliente sanitaria es la denominada geotérmia de baja entalpía. En este caso, el calor que se aprovecha para la climatización se encuentra a muy poca profundidad. Los intercambiadores geotérmicos verticales, que son los más usuales, precisan perforaciones de entre 100 y 200 m de profundidad. El uso térmico más común en el mundo corresponde a bombas 9

10 de calor en la edificación, con un 35% frente a la potencia total instalada, seguido de balnearios, sistemas de calefacción, invernaderos, acuicultura y procesos industriales. 1. Figura. Usos de la geotermia de baja temperatura en diferentes aplicaciones. Aplicaciones de la geotérmia en los edificios Producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) Producción de Calefacción Calentamiento de piscinas. Producción de frio Figura. Categorías de aprovechamiento de alta entalpía. El uso de sistemas geotérmicos de baja entalpía para el sector 10

11 residencial y de servicios permite prescindir de los combustibles convencionales no renovables. La demanda térmica en estos casos es relativa-mente baja, lo que permite utilizar agua geotérmica de baja entalpía y devolverla a baja temperatura, incrementando así el potencial geotérmico del recurso e induciendo a un ahorro de energía, que podrá aprovecharse para otras aplicaciones. El sistema de climatización geotérmico funciona esencialmente igual a cualquier instalación convencional. 4. LA INSTALACIÓN GEOTERMICA En general, un esquema simplificado de una instalación de energía geotérmica de un edificio, consta de tres sistemas diferenciados: Sistemas de intercambio con la tierra: Boucle de tuberías subterráneas que ubicadas en el interior de los sondeos o perforaciones previamente practicadas, tienen la función de evacuar el calor hacia el terreno o desde el mismo, dependiendo del régimen en que se funcione. Bombas de calor geotérmica (GHP): Es un dispositivo eléctrico 11

12 que conectado al intercambiador enterrado, actúa como intermediaria, permitiendo que se realice el intercambio de calor entre el suelo y el sistema de distribución, responsable de climatizar el conjunto del edificio. Sistemas de intercambio con el edificio: Formado por un sistema cerrado de tuberías, ida y retorno, para distribuir el agua caliente a los usuarios. Este circuito de distribución se desglosa normalmente en dos claramente diferenciados en función del nivel térmico de funcionamiento al que trabajan, uno en circuito abierto para el agua caliente sanitaria (ACS) y otro en circuito cerrado de calefacción. 4.1 SISTEMAS DE INTERCAMBIO CON LA TIERRA El sistema de intercambio con el terreno como fuente o sumidero de calor, puede hacerse a través de pozos o acuíferos o por el intercambio directo con el subsuelo. En el primer caso, se denominan sistemas abiertos y se utilizan acuíferos desde los que se bombea el agua, bien de forma directa hasta el intercambiador de la bomba de calor o lo que es más habitual, a través de un intercambiador intermedio. En el segundo caso, sistemas cerrados, se utilizan una serie de tubos enterrados en los que se contiene el fluido caloportador, compuesto normalmente de agua y anticongelante, que es el que atrapa el calor del subsuelo y lo conduce a la bomba de calor. Intercambiadores cerrados horizontales La instalación de este tipo de intercambiadores se basa en la estabilidad de aproximadamente 5 o C que la temperatura del terreno suele tener a una profundidad de aproximadamente 2m. Están formados por varios circuitos de tuberías de polietileno 12

13 enterradas de forma similar a un circuito de suelo radiante a 2 m de profundidad. La carga térmica del terreno se debe a la radiación solar a diferencia de los intercambiadores verticales, en los que es el flujo de calor geotérmico. Por este motivo es importante que la superficie no cuente con elevada vegetación. Es necesario disponer de una superficie de terreno libre de sombras de aproximadamente de 1,5 veces la superficie a calefactar de la vivienda, pues se puede tomar como referencia la obtención de unos 35W/m 2 de terreno. La instalación es sencilla y económica, pero depende más de la radiación solar. Para que los tubos no se dañen, deben colocarse sobre arena, cuidando que el relleno no contenga restos pedregosos. Figura. Conexión en serie de intercambiadores horizontales. 13

14 Figura. Conexión en paralelo de intercambiadores horizontales. Figura. Conexión en espiral de intercambiadores horizontales. La distancia horizontal entre tubos suele ser de 40cm con el fin de evitar una extracción de calor excesiva y la consiguiente congelación de la zona. 14

15 La superficie necesaria de terreno en este tipo de intercambiadores depende de varios factores: Las necesidades de calefacción/refrigeración Del rendimiento de la bomba de calor que se instale La profundidad a la que se coloquen los tubos La zona geográfica y su radiación. El tipo de terreno y su humedad Intercambiadores cerrados verticales Los intercambiadores verticales constan de tuberías de polietileno en forma de U insertadas en el terreno a través de perforaciones o sondeos con profundidades de entre 30 y 100 metros y de 10 a 16 cm de diámetro por las que circula agua glicolada. Es el sistema más costoso de instalar debido a la necesidad de maquinaria especializada para realizar los sondeos, pero se obtiene un rendimiento muy elevado, ya que por cada metro lineal de sondeo se obtienen más de 50W de potencia aproximadamente. Figura. Conexión de intercambiadores verticales 15

16 Al alcanzar perforaciones mayores de los 15 metros, la influencia de la temperatura ambiente y de la radiación solar deja de percibirse por el sistema y es el flujo de calor geotérmico a través del terreno el que proporciona la fuente estable de aproximadamente 3 o C cada 100 m. Figura. Registro anual de temperatura del suelo El espacio vacío entre los tubos y la pared del sondeo se rellena inyectando, generalmente una mezcla de cemento con bentonita que asegura el buen contacto térmico entre el fluido caloportador del interior de la sonda y el terreno. 16

17 Figura. Sonda entubada y con relleno. La energía captada por las sondas está influida directamente por la composición del terreno a lo largo del sondeo y la presencia de agua subterránea. Así por ejemplo, las rocas calizas macizas no fracturadas, los génesis y las arenas saturadas de agua, tienen una buena conductividad térmica, mientas las arenas secas y las arcillas conducen mucho peor el calor. Los intercambiadores verticales son más caros de instalar que los horizontales, pero ocupan poco espacio y necesitan menor longitud de tubos debido a su mejor rendimiento térmico. Para calefacción y refrigeración de viviendas unifamiliares, de pequeños inmuebles, locales industriales, oficinas, hoteles, etc., se agrupan varias sondas verticales formando un campo de captadores. 17

18 Como referencia orientativa se puede estimar que con dos sondas de 100 m es posible cubrir la calefacción y refrigeración de una vivienda unifamiliar. Captador vertical Captador horizontal. Temperatura suelo del Constante durante todo el año Ligeramente variable en el año Requerimiento terreno del Mínimo Alto Impacto sobre la organización del terreno Uso del terreno en el futuro Transmisión de la energía Consumo de energía eléctrica Mínimo Libre Muy buena Muy bajo Alto Limitado Buena Bajo Relación de cálculo (de referencia) 1/0,75-1 1/1,5-2 Coste de la instalación Mayor Menor Fuente: Saunier Duval 18

19 Intercambiadores abiertos Para este tipo de intercambiadores, es necesario realizar perforaciones en el terreno: mediante una tubería de polietileno y una bomba de aspiración se extrae agua de la capa freática para hacerla pasar posteriormente por la bomba de calor y devolverla después de nuevo al acuífero que actúa de intercambiador. Esta opción es la más simple para explotar la energía geotérmica de muy baja temperatura. Figura. Intercambiador abierto o de pozo. Es muy importante que la entrada y la salida de agua del acuífero estén suficientemente alejadas para evitar interferencias entre el agua de alimentación y la de retorno. 19

20 4.2 BOMBAS DE CALOR Una bomba de calor es una máquina térmica cuyo principio de funcionamiento se basa en el Ciclo de Carnot, de forma que se puede transferir energía en forma de calor / frío de un ambiente a otro, según se requiera utilizando las propiedades del cambio de estado del fluido. Para lograr esta acción es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualen. Este fenómeno de transferencia de energía calorífica se realiza - principalmente- por medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya particularidad radica en una válvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el condensador en evaporador y viceversa. Figura. Esquema de funcionamiento básico de una bomba de calor. 20

21 Ventajas de la bomba de calor geotérmica La esencia de la bomba de calor geotérmica es que en régimen de calefacción, por cada kwh de trabajo del compresor, se introducen en el local 4,5 kwh de calor. Por tanto, 3,5 kwh constituyen energía gratuita proveniente del terreno. En definitiva, al aprovecharse más energía de la que se consume de fuentes convencionales podemos hablar de rendimientos de entre el 250 al 500%. Figura. Balance de energía en una bomba de calor. La otra gran ventaja de la bomba geotérmica es su reversibilidad: actualmente, la mayoría de las bombas de calor geotérmicas son también capaces de actuar de forma inversa, proporcionando calor en invierno y al igual que un refrigerador, producir frio en verano, lo que se conoce como tecnología inverter Comparadas con las bombas de calor de aire, la geotérmicas son más eficientes por la estabilidad de la temperatura del terreno frente a fluctuaciones de la temperatura ambiental. Por otro lado, el agua tiene más capacidad de transporte de calor que el aire, mejores propiedades de transferencia y se mueve mejor con pequeñas bombas de circulación. 21

22 La cantidad de calor que podemos obtener depende de la diferencia de temperatura entre el foco frío (el terreno) y el foco caliente (vivienda). Cuanto menor sea esa diferencia de temperatura, mayor será el rendimiento y mayor eficiencia tendrán las máquinas; por eso el suelo radiante o los fan-coils, sistemas que trabajan a baja temperatura, son muy indicados para estas instalaciones. Figura. Esquema de funcionamiento de una bomba de calor geotérmica. Físicamente, la bomba de calor geotérmica es un equipo compacto al que llegan las conexiones de los colectores con el terreno y de los distribuidores de claro o refrigeración del local. No precisan chimeneas porque no emiten gases de combustión, ni llevan asociado un almacenamiento de combustible. 22

23 Figura. Bomba de calor geotérmica. Fuente: Enertres. Si bien, las temperaturas máximas de las bombas de calor rondan los 60 o C, frente a los 90 o C de una caldera convencional. Tipos de bomba de calor geotérmica Las bombas de calor se suelen clasificar según el medio de origen y destino de la energía de tal forma que se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio que absorbe calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). El tipo de fuente o sumidero externo puede ser: Agua: en el caso de que se disponga de agua subterránea cercana. Suelo: Cuando el calor de la tierra se obtiene por medio de colectores subterráneos por los que circula el fluido caloportador. 23

24 El tipo de fluido caloportador del local puede ser: Agua: cuando la calefacción se realiza por radiadores o suelo radiante. Aire: cuando la climatización del local es por medio de aire Por tanto, las bombas de calor geotérmicas suelen ser agua-agua o agua-aire. 4.3 Sistemas de intercambio con el edificio. El circuito de intercambio de calor con la vivienda se puede realizar de dos formas: Intercambio por circuito cerrado de agua fría y caliente. Por lo general, la bomba de calor geotérmica se sitúa en algún sitio del interior del edificio y en ella están contenidos los intercambiadores que actúan de condensador y evaporador, el compresor y el sistema de expansión. Por el interior de este circuito circula el fluido refrigerante. Uno de los intercambiadores es recorrido también por el fluido colector del terreno (agua con glicol) y el otro por el sistema de distribución de calor del edificio (agua). 24

25 Figura. Bomba de calor configuración habitual. Este sistema, para realizar el intercambio de calor, hace circular un caudal de agua por la superficie de la vivienda. El agua se suele enfriar hasta unos 10 grados en verano y calentarse a aproximadamente 45 grados en invierno, de esta forma conseguimos la climatización de la vivienda. El sistema geotérmico permite escoger cualquier intercambio con la vivienda, es decir: convectores hidráulicos de aire (fan-coils), tierra o pared radiante o radiadores. Los fan-coils son los únicos que permiten tener un único sistema de climatización. En caso de escoger suelo radiante para calentar es recomendable escoger un convector de aire para hacer frío. Dado que el suelo radiante es el método con un mejor rendimiento y mejor confort para solucionar la calefacción, escoger este método o el de radiadores por agua caliente supone instalar otro sistema para solucionar la refrigeración (fan-coils). 25

26 Figura. Fan coils. Por lo tanto las ventajas del suelo radiante son su grado de confort y su rendimiento muy alto, y el principal inconveniente es que duplica el sistema si se quiere ir a todo confort. Figura. Suelo radiante. 26

27 Intercambio por expansión directa. Menos habitual que el anterior es el que utiliza una máquina de expansión directa en la que el sistema de colectores del terreno actúa como evaporador en el que el fluido refrigerante se vaporiza (modo calefacción). Se puede utilizar para su distribución los splits, que son aparatos que pueden distribuir el calor o el frío a la vivienda utilizando el mismo circuito de la bomba de calor. Figura. Bomba de calor de expansión directa. Las principales ventajas son su bajo coste y la simplicidad en su instalación, y los inconvenientes son esencialmente su rendimiento bajo, su confort moderado (el aire caliente y frío sale de la misma situación) y sólo es aplicable a viviendas de nueva construcción o que dispongan de las condiciones necesarias, normalmente no deben ser muy grandes. 27

28 5. INTEGRACIÓN DE GEOTERMIA EN EDIFICIOS 5.1 CONSIDERACIONES GENERALES. Las instalaciones geotérmicas están condicionadas por una serie de factores relativos al emplazamiento, en mayor medida que una instalación convencional en el proyecto y ejecución de los sistemas de intercambio geotérmico se valoran especialmente: Las condiciones de acceso a locales o espacios libres, solares o patios, de los edificios en los que se va a ejecutar el intercambiador. La integración de los intercambiadores con los sistemas de cimentación e instalaciones de los edificios. 5.2 Consideraciones previas al proyecto. Para la realización de una instalación de geotermia en un edificio, ya sea nuevo como existente, es necesario tener una serie de consideraciones previas: Evaluación de las necesidades térmicas del edificio. Estimación de la temperatura del terreno. 28

29 Evaluación de las necesidades térmicas A la hora de diseñar cualquier instalación de frio o calor, es necesario partir de las características térmicas del edificio o local en cuestión. La temperatura que se establece en el interior de un edificio es consecuencia del equilibrio entre las fuentes de calor y las pérdidas que se producen en el mismo. Así, en un local se dan dos situaciones térmicas opuestas que corresponden a los régimenes de verano e invierno. Tanto en un caso como en otro, el sistema tendrá que procurar las condiciones de confort de forma que en invierno el sistema de calefacción compense las perdidas térmicas de los cerramientos y en verano, la entrada de calor del exterior tanto a través de los cerramientos como por la renovación de aire caliente exterior por insolación. Sin olvidar la influencia de los generadores de calor internos. Figura. Factores que influyen en la carga térmica del edificio. 29

30 Estos aportes de calor y frio suponen un consumo de energía que se invierte en mantener las condiciones de confort en el que influyen: Aislamientos del edificio Orientación Infiltraciones de aire por ventanas y puertas. Por tanto, para la aplicación adecuada de cualquier sistema de climatización, es un requisito fundamental evaluar lo más exactamente posible las necesidades energéticas (eléctricas y térmicas) de la instalación. Estimación de la temperatura del terreno La Tierra posee una capacidad térmica alta y, por lo tanto, las variaciones de temperatura se producen más lentamente que en la atmosfera, de manera que el calor acumulado durante el verano puede ser usado durante el invierno, siendo esta temperatura mayor que la del ambiente en invierno y menor en verano. Como se ha visto, la temperatura del terreno tiende a estabilizarse conforme se aumenta la profundidad en el terreno al igual que el agua subterránea. La bomba de calor se encarga de realizar el intercambio de calor con el terreno, enfriándolo o calentándolo según las necesidades de calor o frío respectivamente. Así, el funcionamiento del sistema depende de la temperatura del terreno, siendo necesario realizar una estimación de la evolución de la misma a lo largo del año. 30

31 Mediante el método estadístico de la temperatura del terreno, se pueden obtener histogramas y funciones de probabilidad que ayudan a determinar los rangos de temperaturas más probables. Otro método, consiste en estimar la temperatura mediante modelos como el propuesto por Hillel (1982), que depende del día del año considerado, t ( o C), de la profundidad, Z (m), de la difusividad, α (m 2 /s), de la temperatura media anual del terreno, T a ( o C) y de la máxima diferencia de temperaturas anual en la superficie del terreno, A O (K). La temperatura en el terreno seguirá la ecuación: T(z, t) = T A e Cos [ 2π 365 (t t ) π ] 365α Sin embargo, el uso de modelos conlleva simplificaciones que pueden dar lugar a errores en las estimaciones de las temperaturas, siendo más fiable realizar un tést de respuesta térmica del terreno (TRT) para poder diseñar de forma adecuada el sistema de climatización. 5.3 CONSIDERACIONES EN EL PROYECTO. Una vez se han obtenido las consideraciones previas al proyecto, se pasará al diseño y la ejecución. Este consta de las siguientes fases: Diseño y dimensionamiento del sistema. Licencias. Procedimiento de realización de los sondeos. Ejecución de la instalación interior. 31

32 Diseño y dimensionamiento del sistema. En relación al diseño de la instalación, el Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación (RITE), define los requisitos que deben cumplir las instalaciones térmicas de los edificios, ya sean de ventilación, refrigeración, calefacción o sistemas mixtos, y de producción de agua caliente, así como los requisitos de instalación y mantenimiento de dichas instalaciones. Estas instalaciones deben ser eficientes y proporcionar las condiciones adecuadas de bienestar e higiene para los ocupantes de los edificios. Por ello, en el RITE se definen estas condiciones, la calidad de ambiente térmico, del aire interior, del ambiente acústico, así como la dotación de agua caliente sanitaria. También fomenta el uso de equipos eficientes con etiquetado energético, debiéndose especificar en el proyecto de instalaciones pequeñas (5kW-70kW) el consumo de energía de los equipos y las emisiones de CO 2 anuales. En el RITE se definen las características que deben cumplir los distintos subsistemas que conforman un sistema de climatización. Realización de los sondeos Las características mecánicas y térmicas del terreno, determinarán las profundidades y distancias de interacción de los intercambiadores. El contratista partirá como base del diseño y las especificaciones del proyecto y se encargará de la perforación de los pozos a las profundidades y lugares señaladas en los cálculos iniciales. 32

33 Existen una gran variedad de técnicas de perforación, el terreno determinará la necesidad de maquinaria y equipos específicos para perforación, estabilización y relleno. El espacio requerido para los sondeos dependerá de si estos son horizontales o verticales y de las necesidades energéticas requeridas. Figura. Ejecución de sondeos. Para sondeos verticales, se toma como referencia el ratio 50W/m lineal y una separación entre pozos de aproximadamente 4 metros. Figura. Exterior de la sonda entubada. 33

34 Como orientación, para una instalación de 15 kw, para una profundidad de pozo estándar de 100m (5kW cada pozo), serán necesarios tres pozos, distanciados 4 metros entre sí. Las perforaciones serán de aproximadamente mm de diámetro. Para sondeos horizontales se puede tomar como referencia el ratio 35W/m 2 de terreno, más una zona libre de sombras, dependiendo de la superficie de captación. Los valores indicados son orientativos, cada proyecto de geotermia es específico y va a depender de las condiciones del terreno. Instalación de climatización interior. La climatización del edificio (producción de frío y/o calor), a su vez, es por lo general la aplicación que más energía necesita (por delante de la iluminación, producción de agua caliente sanitaria, etc.). Podemos utilizar la energía geotérmica de baja entalpía, en cualquier construcción que requiera de climatización y/o ACS, principalmente en: Casas unifamiliares Bloques de viviendas Residencias de estudiantes Residencias de ancianos Hoteles 34

35 Balnearios Piscinas cubiertas Centros comerciales Centros escolares Hospitales Edificios de la administración Bancos y oficinas Edificios industriales Procesos de secado. Figura. Instalación de geotermia en una casa 35

36 6. ESTUDIO ECONÓMICO La geotermia es una de las energías más eficientes tanto desde un punto de vista energético como económico. Representa un ahorro entre un 60 y un 80% respecto a los sistemas de climatización tradicionales como el gas o el gas-oil. El beneficio económico que presenta una bomba de calor se obtiene en forma de ahorro energético. Este ahorro energético se produce en el momento en el que se obtiene una energía térmica a un precio inferior al que se puede obtener con tecnologías tradicionales. % de Ahorro Gasoil Gas Acumulador eléctrico (tarifa nocturna) Bomba de calor Agua caliente (ACS) 85% 87% 83% 83% Calefacción 80% 82% 78% 56% Aire acondicionado 47% 47% 47% 47% Climatización + ACS 78% 81% 76% 58% Figura. Ahorro energético de la geotermia respecto a otras energías 36

37 % de Ahorro Gasoil Gas Acumulador eléctrico (tarifa nocturna) Bomba de calor Agua caliente (ACS) 78% 72% 80% 83% Calefacción 70% 62% 53% 56% Aire acondicionado 47% 47% 47% 47% Climatización + ACS 69% 61% 56% 58% Figura. Ahorro económico de la geotermia respecto a otras energías Si bien, para obtener este ahorro es preciso antes llevar a cabo una inversión económica inicial que generalmente es superior a la que requieren el resto de tecnologías. Esta inversión se recuperará o se amortizará mediante el ahorro económico asociado al ahorro energético que se obtiene. Existen para evaluar esto diversas herramientas financieras que permiten la cuantificar este ahorro económico. La más conocida es el Valor Actualizado Neto (VAN) que representa el beneficio o pérdida total del proyecto teniendo en cuenta toda la vida de la instalación. VAN = I + FC (1 + r) 37

38 dónde: I= Inversión, expresada con signo negativo, que se ha empleado para la adquisición de la instalación, menos la cantidad de dinero que costaría la instalación térmica convencional T= tiempo de vida, en años, de la instalación. r= Tasa de descuento o tipo de descuento o costo de capital, que representa la cantidad de dinero que se percibiría si el dinero necesario para la inversión se hubiese utilizado en una inversión libre de riesgo. Típicamente, la tasa de descuento para inversiones de este tipo es del 6%. FC t = Flujos de caja (ingresos menos gastos) en cada año. Como flujo de caja hay que considerar el gasto que tendría con un equipo convencional menos el consumo que de energía eléctrica de la bomba de calor. Por tanto; dónde: FC = W H C Q C W= Potencia térmica media necesaria (kw) H= Horas de utilización C t = Coste de la energía térmica tradicional ( /kwh) C e = Coste de la energía eléctrica ( /kwh) Q= Energía eléctrica consumida por el compresor de la bomba de calor (kwh) 38

39 Obteniéndose el consumo de la energía eléctrica a partir del COP o rendimiento medio estacional de bomba de calor: Q = W H COP Los flujos de caja se corrigen mediante un coeficiente para comparar temporalmente las cantidades de dinero. Este coeficiente es el factor de actualización (FA): FA = 1 (1 + r) Después de esta corrección se obtendrá un valor actualizado neto de la inversión realizada. Si el VAN es positivo, significa que la inversión es rentable y que se recuperará, como mínimo, toda la inversión más la rentabilidad mínima exigida. Si el VAN es negativo, la inversión no se recuperará y por tanto no se recomienda. 39

40 7. IBLIOGRAFÍA Manual Técnico de Gestión, Control y Mantenimiento de Sistemas de Instituto Geológico y Minero de España (IGME). Manual de geotermia. IDAE Guillermo Llopis Trillo, Vicente Rodrigo Angulo. Guía de la Energía Geotérmica. FENERCOM Eduardo Conde Lázaro, Alberto Ramos Millán, Pablo Reina Peral. Guía Técnica de Bombas de Calor Geotérmicas. FENERCOM Guillermo Llopis Trillo, Carlos López Jimeno. Guía Técnica de Sondeos Geotérmicos Superficiales. FENERCOM Guía de incorporación de energías renovables en la edificación. Instituto Valenciano de la Edificación Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios. RITE. 40

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42 PROYECTO PROMOEENER-A Con la necesidad de promocionar la eficiencia energética y las energías renovables en los edificios de la administración nace el proyecto PROMOEENER-A. El objetivo es impulsar la implantación de sistemas bioclimáticos, geotérmicos, solares y de biomasa en edificios públicos, que sirvan de escaparate y promoción de estas tecnologías, al tiempo que se incrementa el uso de recursos energéticos autóctonos y se disminuye la dependencia energética de las regiones. Todo ello con el acompañamiento de empresas locales.