IDAE. DE LAS BOMBAS DE CALOR PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS PRESTACIONES MEDIAS ESTACIONALES. Madrid. 30 de Julio de 2013

Transcripción

1 IDAE Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía PRESTACIONES MEDIAS ESTACIONALES DE LAS BOMBAS DE CALOR PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS Madrid. 30 de Julio de 2013 DEPARTAMENTO HIDROELÉCTRICO, ENERGíAS DEL MAR Y GEOTERMIA DEPARTAMENTO SOLAR

2 PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS

3 IDAE 1""',i<Gu"~I,, o.."","'~"",',' ""o",.:.r ' "I" Julio 2013 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS IN Die E 1. INTRODUCCiÓN '; 3 2. OBJETO DEL INFORME,.., ;.., 4 3. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTQ;, ;~;! 5 4. RESULTADOS ol'~'; );... ; 8 ANEXO 1: cap MíNIMQNECESl\RIO~iARA<CONSI[j)ERACIÓWDE RENOVABLE 10 ANEXO 11: EJEMPLOS CÁLCiIl!lJLQ:DEL SPEDE BOMBAS DE CALOR 12

4 PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS 1. INTRODUCCiÓN. En la Directiva 2009/28/CE se reconoce como energía renovable, en determinadas condiciones, la energía capturada por bombas de calor, según se dice en su artículo 5 Vse define en el Anexo VII: Balance energético de las bombas de calor. Esta Directiva define que la cantidad de energía aeroté eotérmica o hidrotérmica capturada por bombas de calor que debe considerar q'n; rocedente de fuentes renovables (ERES) se calculará de acuerdo con la f'.!jla s ERES = Qusable * (1-1/SPF) tivo para dichas bombas enda C()'misión de 1 de marzo de 2013 (2013/114/UE) 1<'1' :iir., ~;;!.,,' lor del 45,5 %, por lo que las bombas de calor deben.iempre que su SPF sea superior a 2,5. Lo que no establece dicha Decisión es como calcular el SPF de una instalación con bomba de calor de las diferentes tecnologías V aplicaciones. Si se dice que la determinación del SPF debe efectuarse de acuerdo con la norma EN 14825:2012, pero esta norma es difícil de aplicar actualmente V, sobre todo, no incorpora el caso fundamental cuando la bomba de calor se usa para la producción de ACS.

5 PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS 2. OBJETO DEL INFORME. El presente documento busca estimar los valores de SPF para las distintas tecnologías y aplicaciones de las bombas de calor mediante la multiplicación de su eop nominal por un factor de ponderación (FP) y por un factor de corrección (Fe). SPF = eopnominal x FP x Fe El factor de ponderación tiene en cuenta las diferentes zonas climáticas de España que marca el ete y se ha calculado mediante una metodología exclusivamente técnica, utilizando valores objetivos y los Documentos ReconoCidos existentes. El factor de corrección tiene en cuenta la temperatura de distribución. El rendimiento estacional obtenido mediante la aplicaci ón de cestos~~ctoresse hade consid~rar por defecto en caso de no disponer de datos de rendimien~o determinados y justificados mediante la norma correspondiente. Se ha partido del documento reconpcidq de laealificaeión Energética"Prestaciones medias estaciona/es de equipos y sistemas de producción de frío y calor en edificios de viviendas", en el que~e determina~llos fac~~resifp~fca~pn~ ~do su alcance a todo tipo de edificios, simpli~ cando lasidistintas tipologías~ cestableciendo el uso del Fe aplicable únicamente a lasbombas d.e catqrigeo~érmicas al resto. de tecnologías (aerotermia e hid roterm ié!.)iiiiiiy. ada ptábgoloalllila fi nalldadcexplicada anteriormente.

6 PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS 3. DESCRIPCiÓN DEL PROCEDIMIENTO Las prestaciones medias estacionales de un equipo o sistema (SPF) se calcularán multiplicando sus prestaciones nominales (COP) por un factor denominado factor de ponderación representativo (FP) y por un factor de corrección (Fe) para las distintas tecnologías y aplicaciones de las bombas de calor. El documento reconocido de la Calificación Energética "Prestaciones medias estacionales de equipos y sistemas de producción '0 y calor en edificios de viviendas' determina los valores del FP y del Fe, el,,e la muestra de casos estudiados el valor que se corresponde con el o ',}: :, de Id ás desfavorables. El percentil elegido hace que haya una probabilida ctor real sea mejor que el valor considerado, por lo que se trata de eguridad, muy conservadores, no de valores medios. Tabla 3.1: Tsis 1-3. Factores de Zona Climática A B C D E Equipos centralizados (viviendas unifamiliares) Equipos centralizados (viviendas en bloque) Equipos individuales tipo split (viviendas individuales y viviendas en bloque) Bombas de calor geotérmicas con intercambiadores verticales (viviendas unifamiliares) Bombas de calor geotérmicas con intercambiadores verticales I(viviendas en bloque) Bombas de calor geotérmicas con intercambiadores horizontales (viviendas unifamiliares) t , Yel valo para eotermia), según la temperatura de distribución: actores de corrección para bombas de calor geotérmicas. T@ de distribución calefacción (2e) Factor de corrección

7 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS Partiendo de este documento reconocido se realizan las siguientes HIPÓTESIS: a. Se amplía el alcance al resto de edificios los valores obtenidos para viviendas. b. Se considera necesario aplicar a todas las bombas de calor el mismo factor de corrección (Fe). Se ha utilizado el que se propone en el documento reconocido citado para las bombas de calor cuya fuente energética es el calor geotérmico. Se justifica debido a que la disminución del rendimiento de la bomba de calor en función del aumento de la temperatura de condensación es independiente de la fuente de energía que utilice: aerotermia, geotermia o hidrotermia. c. Para las bombas de calor cuya fuente energética es la energía Aerotérmica: 1) Para el factor de ponderación (FP ~ se mantienen los valores obtenidos; que se corresponden con el 15% d~..jos casos más desfavorables. Las directrices de la Decisión (2013~114~UE~i!:llaman la atención, en el apartado 3.3 "Rendimiento mínimo.de.. las bombas de calor que debe considerarse como energía renovableisiegún ladire tiva Jl, d ormia e)(plícita sobre el SPF de las bombas decaloir aerotérmicás y en parti r sobre aquellas que se empleen como calentadoresiiide agua:~~~º~ Estac::lbs miembros deben tener presente, en particular tratán.gose.de bombas de calor con aire como fuente caliente, qué frac~jón de I~i potendpii ihstalada de susi'bornbas de calor tiene un SPF superior al rendimiento mínl~o.p~iraesa;valb~~ión,losestados miembros pueden basarse eo dato~. de pruebas y mediciones, si bien, en muchos casos, ante la falta de datos~ la évaluación se puede limitar a un dictamen pericial efectuado por cada Estaddiimiembro. Los dictámenes periciales deben ser conservadores, es decir, se debetender ainfraestimár. más que a sobrestimar la contribución de las bombas de c~lt!:lt (*~.Tratánc::lose de calentadores de agua con aire como fuente caliente, solo enicasos ex~epcionales tienen tales bombas de calor un SPF superior al umbral mínhno. " 2) Se han simplificado las aplicaciones a dos casos: Equipos Centralizados (media de viviendas unifamiliares y en bloque~ y Equipos tipo Split. (*) Debe prestarse especial atención a las bombas de calor con aire como fuente caliente reversibles, debido a la existencia de posibles fuentes de sobrestimación, principalmente: a) no todas las bombas de calor reversibles se utilizan para calentar, o solo de manera limitada, y b) las unidades más antiguas (y las unidades nuevas menos eficientes) pueden tener una eficiencia (SPF) inferior al umbral mínimo exigido de 2,5.

8 7 Julio 2013 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS d. Para las bombas de calor cuya fuente energética es la energía Hidrotérmica: 1) Se consideran los mismos valores del factor de ponderación (FP) que para la energía Geotérmica de Circuito Cerrado con intercambiadores horizontales minorados en un 5%. e. Para las bombas de calor cuya fuente energética es J 1) Para el factor de ponderación (FP) se m que se corresponden con el 15% de los casos m La tecnología geotérmica con bomba de c temperatura del terreno a lo lar.éls días del año, e incluso a lo larg~;~' la aerotermia que sufre d~importaji1ites van tl!i!íi '/::c 41tH de su difícil predicción a Id'l o de sú"''í(ida útil. 2) Se han simplificad intercambiadore Bombas de ;:';!!J~ h! W ndo Ia, 'fuente de calor es energía,f....,....i.~~n los mismos valores del factor de 1~':":: gj:ler~r.:gotérmica de circuito cerrado con ::l\/n.r;,'nf'es en un 5%., -i)'~ib, f. (Fe) para la temperatura de g. IO'-+!:! llir? a 2 decimales.

9 IDAE ',1'1~'" ~),'~ l. 1)"'-"""<""0'.\hu',-O,:~I.. ro.",:., Julio 2013 PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS 4. RESULTADOS De esta forma los valores de los Factores son: Tabla 4.1: Factor de ponderación (FP) para sistemas de Calefacción y/o ACS con bombas de calor Fuente Energética de la bomba de calor Aer oté!rmlli.. cua.. Equipos ce...,rl.. t.raliiza(jos A Factor de, (FP) B D 0,79 0,73 0,73 O,G8 e E O,G8 - A"er oté!rmlli... cua.. J:n"innco individuales tipo split O,GO O,G2 O,G2 0,58 0,58 Energía Hidrotérmica. 0,90 0,87 0,84 0,78 0,73 Energía Geotérmica de circuito cerrado. Intercambiadores horizontales 0,95 0,92 0,88 0,82 0,77 Energía Geotérmica de circuito cerrado. Intercambiadores verticales 1,13 1,12 1,07 1,01 0,94 Energía Geotérmica de circuito abierto I 1,19 1,18 '\ 1,12 l,og 0,99 Tabla 4.2: Factores de corrección (Fe) en funciól1de las temperaturas de condensación: Factor de Corrección (FC) distribución (QC) Fe 35 1, ,87 45 '" 0,77 50 O,G8 55 O,Gl f GO 0,55 ' ' '---- El valor del COP nominal de la bomba de calor será el obtenido de su ensayo, según la norma que les afecte (UNE-EN 14511: 2012, UNE-EN 15316: 2010, UI\IE-EN 16147,...) y obtenido para las condiciones de temperatura que correspondan a la zona climática en la que se instale y según la aplicación a la que abastezca. En el caso de tratarse de bombas de calor para producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) deberá considerarse la temperatura de distribución de 60 QC. Para temperaturas

10 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS de preparación de ACS diferentes de 60 ºC el volumen de acumulación de ACS de la bomba de calor deberá corresponder a la demanda obtenida para la temperatura elegida y se calculará a partir de las demandas de referencia a 60 ºC de la sección HE4 del Código Técnico de la Edificación. En ningún caso la temperatura de preparación del ACS podrá ser inferior a 45 ºc. La demanda de ACS a considerar a efectos de cálculo, según la temperatura elegida, será la que se obtenga a partir de la siguiente expresión: " D(T) '" r D, (T) I D,n) '" o,(60 o e) x ( ~ _-;' ) D(T) Demanda de agua calient Di(T) Demanda de agua calient ~ ~ida; Di(60 ºC) Demanda de a~:~~ calien per~tl,jra de 60 ºC; "!'(i\!; T Temperatura del acumui'ª: final; Ti Temperatura media del ái'g en e Así tendríamos: l(copnominal x FP x Fe)] donde Qusable es el calor anual proporcionado por la bomba de calor para la producción de calor en las condiciones de funcionamiento. (* ) Solo debe considerarse la energía renovable producida por la bomba de calor obtenida de la energía del ambiente, terreno o de las aguas superficiales y no la de sus equipos auxiliares.

11 In IDAE '--1"""0 ""nló Df'o':;,(,,~,," I.\ '<"'~ "p 1.. "'''''1:' Julio 2013 '--- PA_R_A_P_R_O_D_U_C_C_IO_'N_D_E_C_A_LO_R_EN_E_DJ_F_IC_IO_S ~ ANEXO 1: cap MíNIMO NECESARIO PARA CONSIDERACiÓN DE RENOVABLE (según aplicación yen función de la zona climática y la temperatura de distribución) COP. mínimo para calefacción a 3S2C Fuente Energética de la bombo de calor A B c.; D E MEDIA Energía Aerotérmica 3,42 3,42 3,68 3,68 3,47 ~~~~!.-O-S-Pllit----+-~:::.:::7.: =--Jf--=-:~-J--=::=--\.-==--+-=-~ 4,03 4,03 4,31 4,31 4,17 Energía Hidrotérmica 2,78 2,87 3,21 3,42 3,05 Energla Geotérmica de circuito cerrado. Intercambiadores horizontales Energía Geotérrnica de circuito Inter~ambiadoresverticales Energía Geotérmica de circuito abierto 2,10 2,12 2,63 2,72 2,84 3,05 3,25 2,90 2,21 2,23 2,34 2,48 2,66 2,38 ; 1;:;;:. 2,23 2,36 2,53 2,27 Media= 2,90 2,97 3,18 3,31 3,04 para calefacción a 4()I!C Fuente Energética de la bomba de calor D E MEDIA 4,23 4,63 4,95 3,42 3,68 4,23 3,99 4,95 4,79 3,94 3,51 3,27 3,50 3,73 3,33 2,54 2,57 2,69 2,85 3,06 2,74 2,41 2,44 2,57 2,71 2,90 2,61 Media = 3,27 3,33 3,42 3,65 3,80 3,49 COP mínimo para calefacción a 45~C Fuente Energé:tlifo de la bomba de calor B e E Ene 4,11 4,45 4,45 4,77 4,77 4,51 5,41 5,24 5,24 5,60 5,60 5,42 Energía Hidrotérmica 3,61 3,73 3,87 4,16 4,45 3,96 3,42 3,53 3,69 3,96 4,22 3,76 2,87 2,90 3,03 3,21 3,45 3,10 Energla Geotérmica de circuito abierto 2,73 2,75 2,90 3,06 3,28 2,94 Media = 3,69 3,77 3,86 4,13 4,30 3,95

12 11 JuliO 2013 PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS 6,13 5,93 5,93 6,34 6,34 6,13 4,08 4,23 4,38 4,71 5,04 4,49 3,87 4,00 4,18 4,48 4,77 4,26 3,25 3,28 3,44 3,64 3,91 3,50 Energía Geotérmiea de circuito abierto 3,09 3,12 3,33 Media = 4,18 7,07 6,84 5,61 5,00 5,32 4,75 4,06 4,36 3,91 3,87 4,14 3,72 5,21 5,42 4,98 7,33 7,33 7,84 7,84 7,58 Energía Hidrotérmica 5,05 5,22 5,41 5,83 6,23 5,55 Energía Geotérmiea: de circuito cerrado. Interca~biadóres h6ri~ontaies 4,78 4,94 5,17 5,54 5,90 5,27 ~-,--~ _.""',. -.,.,.,.".,....,_.' '.-.. Energía Geotér~ica de circuito cerrado. Intereambiadores c Y.rrticafes 4,02 4,06 4,25 4,50 4,84 4,33 Energía Geotérmica de circuito abierto 3,82 3,85 4,06 4,29 4,59 4,12 Media = 5,17 5,27 5,41 5,78 6,01 5,53

13 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS._ ' ANEXO 11: EJEMPLOS DE CÁLCULO DEL SPF DE BOMBAS DE CALOR EJEMPLO 1: Bomba de calor aerotérmica centralizada para un hotel en Cádiz Disponemos de una bomba de calor aerotérmica centralizada para producción de ACS para un Hotel en Cádiz. La bomba de calor tiene un COP nominal de 3. Para determinar el SPF de la bomba de calor precisamos conocer el factor de ponderación (FP) y factor de corrección (Fe) correspondientes. El FP se obtendrá de la tabla 4.1 conforme a la zona climática del emplazamiento del hotel y al tipo de bomba de calor empleado. Cádiz es zona de severidad climática en invierno A y el tipo de bomba de calor es aerotérmica. Equipos centralizados, por lo que el factor de ponderación que le corresponde es de 0,79. La temperatura elegida de preparación del ACS es de 60 QC por lo que según la tabla 4.2 de factores de corrección le corresponde el valor de O,SS. Aplicando lal!~órtt\.!lja parada determinac.ión delrel1'dimiento estacional tenemos que: SPF = COPnominal Px 0,79 x 0,55 =1,30 En es~e caso el SPF de la bomba dehcalor utilizada es inferior a 2,S y por tanto no podría considerarse como renovable. Porcentaje de.,,~nergíi:l!!!~enovélble'!!feres)producida por la bomba de calor: 0% % ERES =QUsable x [1-1/ SPF] % ERES = 0% de OUsable

14 ~*~~~-.,;!>Y~'-~'- '. '," ~ ",,;'"--,,-::1-';"::":';":,; =:;"'_'::;:' "~~"'-"':~':~.,"-~:: Julio 2013 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS EJEMPLO 2: Bomba de calor aerotérmica tipo split para una oficina en Alicante Disponemos de una bomba de calor aerotérmica tipo Split para calefacción en una oficina en Alicante. La bomba de calor tiene un COP nominal para calefacción de 3.5. Para determinar el SPF de la bomba de calor precisamos conocer el factor de ponderación (FP) y factor de corrección (Fe) correspondientes. El FP se obtendrá de la tabla 4.1 conforme a la zona climática del emplazamiento de la oficina y al tipo de bomba de calor empleado.. Alicante es zona de severidad climática en invierno B y el tipo de bomba de calor es aerotérmica tipo split, por lo que el factor de ponderación que le corresponde es de 0,62. La temperatura elegida de distribución a las unidades interiores es de 35 QC por lo que según la tabla 4.2 de factores de corrección le corresponde el valor de 1. acional tenemos que: En co y por tanto no podría pr~(fucida por la bomba de calor: 0%

15 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS EJEMPLO 3: Bomba de calor hidrotérmica para una residencia en La Coruña Disponemos de una bomba de calor hidrotérmica para calefacción por suelo radiante en una residencia en La Coruña. La bomba de calor tiene un COP nominal para calefacción de 4,0. Para determinar el SPF de la bomba de calor precisamos conocer el factor de ponderación (FP) y factor de corrección (Fe) correspondientes. El FP se obtendrá de la tabla 4.1 conforme a la zona climática del emplazamiento de la la residencia y al tipo de bomba de calor empleado. La Coruña es zona de severidad climática en invierno C y el tipo de bomba de calor es hidrotérmica, por lo que el factor de ponderación que le corresponde es de 0,84. La temperatura elegida de distribución al suelo radiante es de 45 ºC por lo que según la tabla 4.2 de factores de corrección le corresponde el valor de 0,77: Aplicando la fórmulaip,é;jra ladeter", ; haci~ndelrendimiento estacional tenemos que: SPF== COPnominalx x FC =4,0 x0,84 x 0,77 =2,59 Enest,~nqé;JSO el$pf de la oombade! calor es superior a 2,5 y por tanto podría considerarse col11o renovable. Porcentaje deélllergíarenovable (ERES) producida por la bomba de calor: 61% % ERES =Qúsable x [1-1 / SPF] =Qusable x [1-1 / 2,59] =Qusable x 0,61 % ERES = 61% de Qusable

16 I I PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS EJEMPLO 4: Bomba de calor geotérmica de intercambiador vertical para un bloque de viviendas en Madrid Disponemos de una bomba de calor geotérmica de intercambiador vertical para calefacción por suelo radiante en un bloque de viviendas en Madrid. La bomba de calor tiene un COP nominal para calefacción de 4,5. Para determinar el SPF de la bomba de calor precisamos conocer el factor de ponderación (FP) y factor de corrección (FC) correspondientes. El FP se obtendrá de la tabla 4.1 conforme a la zona climática del emplazamiento del bloque de viviendas y al tipo de bomba de calor empleado. Madrid es zona de severidad climática en invierno D y el tipo de bomba de calor es geotérmica con intercambiador vertical, por lo que el factor de ponderación que le corresponde es de 1,01. '1 La temperatura elegida de distribución al suelo radiante es de 45 ºC por lo que según la tabla 4.2 de factores de corrección le corresponde el valor de 0,77. ~:~~'imiento estacional tenemos que: 1,01 X 0,77 =3,50 es superior a 2,5 y por tanto podría considerarse % ERES =71% de, Qusable ES) producida por la bomba de calor: 71% [ 1-1/ SPF] =Qusable x [1-1/ 3,5] =Qusable x 0,71

17 PARA PRODUCCIÓN DE CALOR EN EDIFICIOS EJEMPLO 5: Bomba de calor geotérmica de circuito abierto para un edificio de oficinas en Zaragoza Disponemos de una bomba de calor geotérmica de circuito abierto para calefacción por suelo radiante en un edificio de oficinas en Zaragoza. La bomba de calor tiene un COP nominal para calefacción de 5,0. Para determinar el SPF de la bomba de calor precisamos conocer el factor de ponderación (FP) y factor de corrección (Fe) correspondientes. El FP se obtendrá de la tabla 4.1 conforme a la zona climática del emplazamiento del edificio de viviendas y al tipo de bomba de calor empleado. Zaragoza es zona de severidad climática en invierno D y el tipo de bomba de calor es geotérmica de circuito abierto, por lo que el factor de ponderación que le corresponde es de 1,06. La temperatura elegida de distribución al suelo radiante es de 45 ºC por lo que según la tabla 4.2 de factores de corrección le corresponde el valor de 0,77. Aplicando la fqrrnula para la determinación del rehdimiento estacional tenemos que: SPF =' COPnominalx FP )( FC:e5 x 1,06" 0,77 =4,08 Ene te casqi el $~F de la bomba de calor es superior a 2,5 y por tanto podría considerarse comorenovable. Porcentaje deijéjlergíarenq}{ ~ble{e:ires) producida por la bomba de calor: 75% % ERES =Qusablé x [1-1 / SPF] =Qusable x [1-1 / 4,08] =Qusable x 0,75 % ERES = 75% de Qusable

18 PARA PRODUCCiÓN DE CALOR EN EDIFICIOS EJEMPLO 6: Bomba de calor geotérmica de intercambiador horizontal para una vivienda unifamiliar en Burgos Disponemos de una bomba de calor geotérmica de intercambiador horizontal para calefacción por suelo radiante en un bloque de viviendas en Burgos. La bomba de calor tiene un COP nominal para calefacción de 3,5. Para determinar el SPF de la bomba de calor precisamos conocer el factor de ponderación (FP) y factor de corrección (Fe) correspondientes. El FP se obtendrá de la tabla 4.1 conforme a la zona climática del emplazamiento de la vivienda unifamiliar y al tipo de bomba de calor empleado. Burgos es zona de severidad climática en invierno E y el tipo de bomba de calor es geotérmica con intercambiador horizonta" por lo que el factor de ponderación que le corresponde es deoj7. La temperatura elegida de distribución al suelo radiante es de 45 QC por lo que según la tabla 4.2 de factores de corrección le corresponde el valor de OJ7. ";;:;:;:;H, imii ~h'to estacional tenemos que: X 0,77 =2,08 ca por tanto no podría producida por la bomba de calor: 0%