Bruno De Miranda Santos Ingeniero Industrial A Coruña, 31 de marzo 2011 APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO DE BAJA TEMPERATURA EN EL ÁMBITO RESIDENCIAL
ÍNDICE Fundamentos Estado actual de la tecnología Legislación Conclusiones
Fundamentos Energía procedente del interior de la tierra, la liberación de calor procede de: La desintegración de isótopos radioactivos presentes en la corteza terrestre y en el manto. Calor inicial a liberar desde la formación del planeta Movimientos relativos entre la corteza y el manto Solidificación del núcleo Existe un continuo flujo de calor desde el interior hacia la superficie terrestre, a medida que profundizamos aumenta la temperatura del terreno del orden de 1ºC cada 33 metros.
Aprovechamiento geotérmico de baja entalpía (temperatura) Energía con origen en la diferencia de temperaturas existente entre el interior de la tierra y su superficie. El aprovechamiento del recurso geotérmico de baja temperatura requiere del uso de una bomba de calor, que emplee el terreno como uno de sus focos y el medio a climatizar como el otro foco La elevada eficiencia energética de los ciclos frigoríficos de compresión mecánica permite que el empleo de bombas de calor geotérmicas resulte viable desde el punto de vista económico y en muchos casos medioambiental.
Aprovechamiento geotérmico de baja entalpía (temperatura) Empleo del terreno como origen del calor (foco frío) en invierno y como sumidero del calor en verano (foco caliente).
Componentes del aprovechamiento geotérmico de baja entalpía (temperatura) Circuito de intercambio de calor con el terreno Intercambiador de calor entre terreno y solución de agua + anticongelante Bomba de circulación Conexión hidráulica a la bomba de calor Bomba de calor Circuito de intercambio térmico con la vivienda Circuito convencional de climatización
Bomba de Calor Máquina frigorífica que permite el aprovechamiento del calor de condensación Funcionamiento según ciclo de compresión mecánica, empleando como fluido frigorígeno un HFC INVIERNO Foco Caliente Vivienda Bomba de calor Foco Frío Terreno Calor Calor Trabajo VERANO Foco Caliente Terreno Bomba de calor Foco Frío Vivienda Calor Calor Trabajo
Bomba de Calor
Bomba de Calor geotérmica en lazo cerrado
Rendimiento de la bomba de calor geotérmica Rendimientos máximos teóricos (de Carnot) Refrigeración: EER = TF / (TC-TF) Calefacción: COP = TC / (TC-TF) (Temperaturas de los focos en grados Kelvin) Rendimientos en funcionamiento Refrigeración: EER = Potencia frigorífica / Potencia absorbida Calefacción: COP = Potencia calorífica / Potencia absorbida (En caso de ser estacionales debe sustituirse potencia por energía)
Aplicación a una vivienda unifamiliar. Datos de partida Demanda de calefacción media: 100 w/m 2 Superficie considerada: 150 m 2 Carga térmica: 15000 w = 15 kw Horas de uso anual de la calefacción: 1.200 horas Demanda energética anual en calefacción: 18.000 kwh/año COP estacional = 3 Demanda de energía eléctrica: Demanda = 18.000 kwh/año / 3 = 6.000 kwh/año
Aprovechamiento geotérmico de baja entalpía (temperatura) El aprovechamiento geotérmico de muy baja y baja temperatura suele hacer uso de los siguientes métodos de intercambio térmico con el terreno: Colectores horizontales enterrados Sondeos geotérmicos Sondeos de captación de aguas Cimientos geotérmicos
Colectores horizontales enterrados Profundidad de enterramiento del orden de 0,8 metros Tubo de polietileno de diámetro 25 40 mm Fluido de intercambio: agua + anticongelante Necesidad de superficie de 1,5 3 veces la superficie a calefactar Muy influido por el clima Es más un captador solar que un aprovechamiento del recurso geotérmico
Sondeos geotérmicos Necesidades de terreno muy inferiores Tubo de polietileno de alta densidad Fluido de intercambio: agua + anticongelante Diámetro del sondeo 10 15 cm Profundidad superior a los 30 m Longitud del orden de 30 60 m por kw
Cimientos geotérmicos Puede tratarse como un caso particular de los sondeos geotérmicos
Reglamentación más relevante RITE: Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (Real Decreto 1027/2007 y modificaciones) CTE: Código Técnico de la Edificación. Documentos Básicos HE (Real Decreto 314/2006 y modificaciones) Futura Orden que desarrolle la aplicación del RITE en Galicia La Biomasa es relevante para Certificación de Eficiencia Energética de edificios nuevos (Real Decreto 47/2007)
Conclusiones No se trata de una tecnología innovador, si no de una aplicación innovadora de tecnologías existentes. Presenta las ventajas en rendimiento energético de la bomba de calor aerotérmica, sin la limitación por temperatura del foco exterior Incertidumbre normativa, es renovable? Inconvenientes: Elevada inversión inicial, nivel de temperatura óptimo solo para sistemas de baja temperatura (suelo radiante, fancoils), problemas de temperatura durante ciclos de limpieza anti-legionella según RD 865/2003 (no domésticos)
Bruno De Miranda Santos Ingeniero Industrial A Coruña, 31 de marzo 2011 PREDIMENSIONAMIENTO DE UN INSTALACIÓN GEOTÉRMICA DOMÉSTICA
DIMENSIONAMIENTO Procedimiento Cálculo de carga térmica Elección de la bomba de calor Problema: Demasiado trabajo si debe realizarse antes de la oferta previa Ensayo de respuesta térmica del terreno Dimensionamiento del sondeo Dimensionamiento del resto de la instalación
PREDIMENSIONAMIENTO Procedimiento Estimación de la carga térmica Elección de la bomba de calor Ventaja: Simplicidad, permite estimar el orden de magnitud. Riesgo: Que se confunda con el único cálculo necesario. Estimación de las características del terreno Predimensionamiento del sondeo Predimensionamiento del resto de la instalación
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Datos de partida Vivienda unifamiliar de 120 m 2 acondicionados Buen nivel de aislamiento Estimación de la carga térmica Carga térmica de calefacción de 75 w/m 2 Carga térmica máxima = 120 m 2 x 75 w/m 2 = 9.000 w
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Esquema de principio
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Elección de la bomba de calor Potencia de calefacción = 9.130 w Coeficiente de prestación COP = 5,50 Potencia eléctrica absorbida = 1.660 w Estimación de las características del terreno Conductividad térmica del terreno Capacidad térmica específica
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Conductividad térmica del terreno Estimada en base a tablas Realización de ensayo térmico in-situ Despreciar el dato y estimar directamente la capacidad térmica específica
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Obtención de la capacidad térmica específica Norma VDI 4640 Estimamos subsuelo normal, para 1.800 hora/año, de las gráficas de la página anterior deducimos que 60 w/m puede resultar poco conservador, tomamos 50 w/m
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Potencia térmica del intercambiador al terreno Norma VDI 4640
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Longitud de la sonda
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN) Conclusiones Una vez obtenido el coste de la bomba de calor y del sondeo, el resto de la instalación se valorará como una instalación de climatización convencional (suelo radiante, fancoils, sistema todo aire, ) No se trata de un cálculo definitivo, sino de un cálculo previo, una vez encaminada la oferta deberá afinarse el cálculo. El modelo real es demasiado complejo como para admitir una simplificación tan burda.