Instalación de climatización geotérmica en parque natural para invernadero-auditorio

Transcripción

1 Instalación de climatización geotérmica en parque natural para invernadero-auditorio S. Quilis, G. Cabañero, B. Badenes y J. Lluch 1. Antecedentes La propietaria y promotora del edificio, es la Fundación Enrique Montoliu, entidad privada, sin ánimo de lucro, establecida en Valencia que desarrolla actividades encaminadas a la conservación de la naturaleza, como la compra de terrenos de alto interés ecológico para su conservación integral y el fomento de la jardinería autóctona principalmente. El edificio se ubica dentro del Jardín Mediterráneo, ejemplo de la jardinería que se fomenta por parte de la Fundación, en Pedreguer, Finca la Albarda, enclavado en el área de protección del Parque Natural del Montgó. Las características básicas del proyecto son: EDIFICIO: Invernadero-Auditorio SUPERFICIE DE OCUPACIÓN: 455 m 2 UBICACIÓN: Finca La Albarda, C/ Baix Vinalopo nº 8, Pedreguer (Alicante) PROPIEDAD: FUNDEM (Fundación Enrique Montoliu) ARQUITECTO: Josefa del Valle Cabrera, Benissa (Alicante) INGENIERÍA E INSTALACIÓN: ENERGESIS INGENIERÍA, Valencia 2. Introducción Para la ubicación y la dimensión del edificio la premisa inicial es que no se eleve más de una planta, limitando la altura de cumbrera de modo que no se interrumpa la visual de la montaña del Montgó desde la terraza de la casa de la Fundación y al mismo tiempo se consiga una integración máxima sin impacto visual en el entorno tanto próximo como en el lejano. Para dar cabida a la actividad que se pretende, por tanto, se entierra el edificio hasta la cota necesaria de ubicación del escenario, suplementando además la dimensión de sótano necesario para la ubicación de todas las instalaciones del edificio. Esto permite evitar ruidos y la ocupación de un área externa al edificio de las instalaciones dentro del ámbito del jardín y también mejora el comportamiento térmico del edificio, que puede verse compensado en parte por estar enterrado, si bien precisará de la ayuda suplementaria de la climatización. La estética externa que se pretende del edificio es de invernadero, con estructura de cubrición metálica y cerramiento de vidrio. Vidrio que se le exige cumplir unos ciertos requisitos térmicos como baja transmisión térmica, poca transmisión del factor UV, aumentar la reflexión exterior para reducir transmisión de calor al interior del edificio y también requisitos acústicos, demandados estos por el estudio acústico realizado. En todo el perímetro superior, en el encuentro de la cubierta de vidrio y el 58

2 paramento vertical de cierre se colocan unos huecos de ventilación natural, así como en la cumbrera. Las paredes exteriores debido al tipo de estructura resultante quedan de un grosor suficiente para que ayude a reducir la trasmisión térmica entre exterior e interior, y a su vez facilita que se retranquee la posición de todas las ventanas dando una mayor protección solar a estas. Todas las ventanas son practicables por lo que puede haber una ventilación directa puntual si se precisa. En el interior toda la estructura del edificio que se encuentra por debajo de la cota de acceso principal, está ejecutada en losas y muros de contención de hormigón armado. Dado el singular entorno del edificio enclavado en plena naturaleza, los requisitos de bajo consumo energético, y la necesidad de tener un nulo impacto visual de las instalaciones, se decide incorporar la geotermia como tecnología de climatización y ACS del edificio. Dadas pues las solicitaciones térmicas y el uso al que va destinado el edificio, se ha diseñado una instalación cuya bomba de calor geotérmica abastece a una unidad de tratamiento de aire de 100 kw para acondicionar el edificio durante el período estival en modo refrigeración. Para el invierno, en modo calefacción, la bomba de calor geotérmica alimenta directamente a un sistema de suelo radiante. Las potencias han sido diseñadas teniendo en cuenta una posible ampliación en el futuro del horario en el uso de las instalaciones, y sería complementado con un sistema de apoyo aerotérmico. La perforación geotérmica consiste en 12 pozos de 100 m de profundidad cada uno, de 15 cm de diámetro, con sondas de configuración simple U de 40mm de diámetro, y sellado de los pozos con lechada de cemento-bentonita. La conexión de los pozos geotérmicos hasta la sala de máquinas se realiza con tubería de polietileno de alta densidad y con la soldadura realizada mediante electrofusión. 3. Descrpción de la instalación 3.1 Introducción La instalación interior del auditorio se ha realizado mediante conductos de aire y suelo radiante. La forma de funcionamiento de las dos instalaciones será la siguiente: En modo calefacción entrará en funcionamiento el suelo radiante anticipándose al inicio de cada actuación para poder alcanzar la temperatura de confort antes de la entrada del público al recinto. En modo refrigeración el sistema de aire debido a su baja inercia entra en funcionamiento casi al mismo tiempo que el inicio de cada actuación. El estudio de cargas térmicas se realizó conforme a las siguientes hipótesis: La utilización del auditorio será a cualquier hora del día durante los meses de invierno (enero, febrero, marzo, octubre, noviembre y diciembre) excepto las horas centrales ( ). Los meses de verano (abril, mayo, junio, julio, agosto, septiembre y octubre) únicamente se llevarán actividades a partir de las h. Durante los períodos de no utilización del auditorio se abrirán los elementos del auditorio tales como ventanas, la abertura en la cumbrera, etc para favorecer la ventilación natural y 59

3 disminuir las temperaturas interiores del auditorio. El objeto de esta ventilación es minimizar el efecto invernadero que puede producirse, principalmente en invierno, debido a las características constructivas del auditorio y reducir las altas temperaturas interiores que se pueden dar debido a este efecto por debajo de 28 ºC. Estas operaciones de ventilación durante la explotación son imprescindibles para el correcto funcionamiento del sistema. Conforme a los requisitos comentados anteriormente se establecieron unas cargas térmicas de 60 kw en refrigeración y 50 kw en calefacción. 3.2.Sistema de climatización geotérmica La instalación geotérmica que se va a realizar está formada básicamente por un intercambiador enterrado, la instalación exterior que conecta el intercambiador enterrado con la bomba de calor geotérmica, y dicha bomba de calor que proporciona las necesidades energéticas del auditorio en cuanto a calefacción y refrigeración. Este intercambiador enterrado tiene una longitud útil de metros, distribuidos en 12 perforaciones, separadas 6 metros entre ellas. Las sondas geotérmicas serán de polietileno de alta densidad PE100 configuración simple U, de Ø40mm y PN16. El cálculo se hace en base a las temperaturas medias obtenidas en el intercambiador y en base a las temperaturas extremas alcanzadas en momentos picos (máximo de carga durante un tiempo prolongado) a la entrada de la bomba de calor. Una vez introducidas las tuberías en la perforación y realizar las pruebas de resistencia y estanqueidad a 3 bar durante 24 h., se sellarán con una mezcla de cemento/bentonita. Se rellenará la zanja con arena para crear un lecho sobre el que se colocará la tubería. Cada tubería vendrá equipada con válvulas de corte para cada pozo. La conexión del intercambiador enterrado con la bomba de calor se llevó a cabo con tubería de polietileno de alta densidad PE100 FLEXIPOL. Los accesorios (codos, tes, etc) necesarios se han soldado mediante electrofusión. Se han instalado dos colectores (impulsión y retorno) dotados de válvulas de corte para cada pozo y reguladores de caudal tipo K-flow, cada uno de 63 mm, de polietileno de alta densidad, 16 bar de presión nominal según norma UNE-EN-ISO 1/ Se dispondrá de un grupo hidráulico de prestaciones 15 m 3 /h y 20 m.c.a. para la circulación del fluido en el circuito primario (intercambiador enterrado). La bomba de calor geotérmica alimentará un sistema de calefacción y un sistema de refrigeración mediante un grupo hidráulico de prestaciones 15 m 3 /h y 8 m.c.a. El sistema de calefacción se compone de un depósito de 800 litros y un vaso de expansión. Este depósito proporcionará agua caliente, mediante dos grupos hidráulicos, el correspondiente al suelo radiante de las gradas del auditorio y camerinos, y el correspondiente a la unidad de tratamiento de aire, según sea requerido. El sistema de refrigeración se compone de otro depósito de 800 litros y un vaso de expansión. Este depósito proporcionará agua fría a la unidad de tratamiento de aire mediante el correspondiente grupo hidráulico. Este aire se distribuirá mediante conductos construidos e instalados por la periferia del auditorio. El control electrónico de la bomba de calor regulará el aporte de agua fría y agua caliente a cada uno de los depósitos según las temperaturas de consigna predeterminadas. Más adelante se detalla el esquema de principio de la instalación Sistema suelo radiante Para reducir al mínimo el impacto visual de las instalaciones sin menoscabo del confort, se decide calefactar el auditorio con suelo radiante, que resulta a la vez un sistema eficaz desde el punto de vista del funcionamiento y eficiente desde el punto de vista energético. Los tubos discurren por cada uno de los escalones de la grada, siguiendo el trazado de una semicircunferencia con radios de 5 y 15 m, en su longitud más corta y más larga respectivamente, 60

4 junto a un corto trazado recto de 3,5 m., tal y como se puede apreciar en la siguiente figura. Los circuitos se agrupan en torno a dos colectores, ubicados en la pared lateral de la grada y agrupando los circuitos de tal forma que se de un equilibrado hidráulico entre los mismos. Los tubos son de Ø20 x 2 mm y con 5 capas, con una barrera de difusión estanca al oxígeno. Vienen fijados a los escalones de la grada mediante unos carriles de abrazaderas de plástico capaces de albergar tubos entre Ø16 y Ø20 mm. Los colectores vienen totalmente montados con extensiones de acero inoxidable y válvulas de bola para salida y retorno. Vienen equipados con válvulas de llenado y vaciado, racores para los tubos, purgadores, rieles para su colocación y termómetros. Vienen alojados en armarios de plancha galvanizada, empotrados, pintados al polvo en blanco y con cerradura. 3.4 Sistema de distribución de aire Debido al particular uso de la instalación como auditorio era necesario respetar unos valores mínimos de potencia sonora (< 30 db(a)) que obligaba a trabajar con velocidad de aire baja. Por tanto se dimensionaron las secciones de conductos, los retornos y las toberas de impulsión para no superar esa potencia sonora. Otro de los requerimientos, dada la singularidad de la instalación era la de ocultar todos los elementos de la instalación para no romper en ningún punto la estética del escenario. necesaria la impulsión de m3/h de aire. Las toberas de impulsión se colocarán en el perímetro del auditorio según se muestra en la figura siguiente: El número total de toberas es de 30, siendo el caudal de impulsión de cada una de las toberas de 533 m 3 /h. Las toberas seleccionadas serán de diámetro de impulsión Ø125 mm para preservar los condicionantes de potencia sonora impuestos. La conexión entre las toberas y los conductos principales de impulsión se realizará con conductos ubicados por el interior de los pilares. 4. Estudio energético Se ha realizado el estudio energético del consumo asociado a la puesta en marcha y funcionamiento del auditorio en modo calefacción y en modo refrigeración Modo calefacción Para el funcionamiento en modo calefacción estimamos una temperatura exterior ambiente de -2ºC y ausencia de radiación directa. Bajo estas condiciones el modo de funcionamiento del Los valores de los caudales de renovación calculados según RITE se establecieron en m3/h, lo que obligaba a la utilización de un recuperador en la unidad de tratamiento de aire (UTA) seleccionada. Para vencer la carga térmica de refrigeración establecida en 60 kw, era 61

5 sistema será el que a continuación se describe: Inicio de funcionamiento del suelo radiante 15 horas antes de cada actuación. Apagado del suelo radiante al empezar la actuación. Control de los caudales de ventilación para mantenimiento de la temperatura de confort en el auditorio. Bajo las hipótesis antes descritas el consumo energético asociado a cada actuación será de kwh para la puesta en marcha (15 horas de funcionamiento del suelo radiante) y de 12 kwh cada hora debido a ventilación durante el uso del auditorio. Los cálculos antes descritos se han hecho teniendo en cuenta que los eventos en el auditorio se harán esporádicamente. Si aumentara el uso del auditorio habría que valorar la posibilidad de mantener el suelo radiante a una temperatura determinada para evitar la puesta en marcha en cada actuación y poder reducir el consumo energético Modo refrigeración Para el funcionamiento en refrigeración, estimamos que la temperatura de partida del auditorio debido a ventilación natural y al horario de funcionamiento del mismo (a partir de las h) es de 28ºC. Como la distribución de refrigeración es por aire la inercia del sistema es muy inferior a la del suelo radiante. El consumo energético asociado a la refrigeración es de 30.6 kwh por hora de funcionamiento del auditorio. Los consumos energéticos han tenido en cuenta el funcionamiento de la bomba de calor geotérmica, la UTA y los grupos hidráulicos. Los consumos de cada uno de estos elementos han sido aportados por el fabricante Ahorro energético y beneficios medioambientale Las demandas energéticas anuales estimadas del sistema teniendo en cuenta un uso medio de la instalación de 8 horas al día son kwh/año en agua caliente para calefacción y kwh/año en agua fría para refrigeración. Para proporcionar esta demanda con un sistema convencional (una caldera de combustible de rendimiento estacional de 0,85 para la producción de agua caliente y una enfriadora para la producción de agua fría) se consumiría la siguiente energía anualmente: kwh/año en calefacción y kwh/año en refrigeración (con un COP de 2.5). El sistema convencional anteriormente descrito consumiría kwh/año de energía primaria proveniente del combustible consumido por la caldera (factor de conversión a energía primaria de 1,11) y kwh/año de energía primaria proveniente de la electricidad consumida por la enfriadora (factor de conversión a energía primaria de 2,57). Con el sistema geotérmico, la producción anual de energía renovable kwh/año, cubriendo el 100% de la demanda energética anual. Para producir dicha energía renovable, los consumos en la instalación serán de kwh/año en calefacción (COP medio estacional 4.2) y de kwh/año en refrigeración (COP medio estacional 3.7). Con el sistema geotérmico se consumirían kwh/año de energía primaria proveniente de la electricidad consumida por la bomba de calor geotérmica (factor de conversión a energía primaria de 2,57). A este ahorro habría que sumarle el ahorro debido a la menor potencia eléctrica contratada. Por otro lado, es reconocido por ASRAHE el menor coste de mantenimiento de una unidad de bomba de calor geotérmica respecto a una convencional debido principalmente a que la convencional se degrada más rápidamente al estar expuesta al ambiente externo y poseer partes móviles, así como su mayor vida útil. Debido a que el sistema de bomba de calor geotérmica consume mucha menos energía que un sistema convencional, mediante el sistema geotérmico se reducen las emisiones de CO 2 a la atmósfera, ayudando así al cumplimiento de los objetivos del Protocolo de Kyoto. Con el sistema geotérmico se evitan unas 20,52 tco 2 /año respecto a un sistema convencional. Partiendo de estos datos, la instalación geotérmica propuesta equivaldría a un total de árboles, para evitar las toneladas de CO 2 anuales emitidas a la atmósfera. 62