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.