APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO DE BAJA TEMPERATURA EN EL ÁMBITO RESIDENCIAL
Bruno De Miranda Santos Ingeniero IndustrialA Coruña, 31 de marzo 2011
ÍNDICE
Fundamentos
Estado actual de la tecnología
Legislación
Conclusiones
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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.
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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.
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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).
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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
ENERGÍA GEOTÉRMICA
Bomba de Calor
Máquina frigorífica que permite el aprovechamiento del calor de condensación
Funcionamiento según ciclo de compresión mecánica, empleando como fluido frigorígenoun HFC
Foco CalienteVivienda
Bomba de calor
Foco FríoTerreno
Foco CalienteTerreno
Bomba de calor
Foco FríoVivienda
VERANOINVIERNO
Calor
Calor
Trabajo
Calor
Calor
Trabajo
ENERGÍA GEOTÉRMICA
Bomba de Calor
ENERGÍA GEOTÉRMICA
Bomba de Calor geotérmica en lazo cerrado
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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)
ENERGÍA GEOTÉRMICA
Aplicación a una vivienda unifamiliar. Datos de partida
Demanda de calefacción media: 100 w/m2
Superficie considerada: 150 m2
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
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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
ENERGÍA GEOTÉRMICA
Cimientos geotérmicos
Puede tratarse como un caso particular de los sondeos geotérmicos
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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)
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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)
PREDIMENSIONAMIENTO DE UN INSTALACIÓN GEOTÉRMICA DOMÉSTICA
Bruno De Miranda Santos Ingeniero IndustrialA Coruña, 31 de marzo 2011
DIMENSIONAMIENTO
Procedimiento
Cálculo de carga térmica
Elección de la bomba de calor
Ensayo de respuesta térmica del terreno
Dimensionamiento del sondeo
Dimensionamiento del resto de la instalación
Problema:
Demasiado trabajo si debe realizarse antes de la oferta previa
PREDIMENSIONAMIENTO
Procedimiento
Estimación de la carga térmica
Elección de la bomba de calor
Estimación de las características del
terreno
Predimensionamientodel sondeo
Predimensionamientodel resto de la
instalación
Ventaja: Simplicidad, permite estimar el orden de magnitud .
Riesgo: Que se confunda con el único cálculo necesario.
EJEMPLO (SOLO CALEFACCIÓN)
Datos de partida
Vivienda unifamiliar de 120 m2 acondicionados
Buen nivel de aislamiento
Estimación de la carga térmica
Carga térmica de calefacción de 75 w/m2
Carga térmica máxima = 120 m2 x 75 w/m2 = 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, tomamos50 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.