Factores de influencia en el rendimiento de una instalación de geotermia con apoyo de gas en un edificio.

Autores de la comunicación: Iñigo Ruiz Ayesta, José María Mínguez Martínez, Gonzalo Ortega Lanza

BEST: Bilbao Energy Solution Trends, S.L. Crta. Sangroniz 6 modulo 4, 4l - 48150 Sondika

1 INTRODUCCION

En las instalaciones geotérmicas es necesario combinar todas las partes de la instalación. Debe de

haber una muy buena integración entre todos los elementos. De nada sirve tener diseñado y

ejecutado un buen campo de captación si luego se utilizan los elementos terminales a temperaturas

altas o si los equipos de trabajo seleccionados no están preparados para un óptimo funcionamiento.

Este efecto cobra especial relevancia en instalaciones más complejas con más de una fuente de

generación de calor donde la integración completa puede ser algo delicada.

Por otro lado, no existen dos edificios con las mismas demandas. Si aún se pudieran hacer dos

edificaciones iguales en la misma ubicación y orientación, sería muy difícil que ambos tuvieran el

mismo funcionamiento puesto que las personas que lo habitan le proporcionan un perfil de carga

muy singular. Por lo tanto es muy difícil diseñar dos instalaciones geotérmicas iguales y mucho

menos copiarlas. Todas han de ser singulares.

La determinación de la demanda energética de diseño del edificio es obtenida en base a multitud de

premisas con objeto de poder al menos tener una idea del tamaño y dimensionamiento de la

instalación. De todos esos factores dependerán tanto el campo de captación, la sala de máquinas y el

resto de la instalación interior. En geotermia la demanda es un factor determinante en diseño y

funcionamiento de la instalación y por ello una vez en marcha la instalación, es necesario acoplar la

instalación a la situación real.

Las instalaciones geotérmicas tienen un hecho diferencial importante que es su mayor inversión

inicial. El cliente está dispuesto a pagar algo más que en una instalación convencional, pero a

cambio espera recibir un menor gasto en el importe de la climatización. Y por lo tanto pedirá que se

demuestre. En el resto de instalaciones convencionales no se suele dar esta petición puesto que no

se han generado expectativas de un menos consumo aunque éste se produzca.

Puesto que el diseño de la instalación se ha realizado con bastes suposiciones se tratará en todos los

casos, de observar la realidad del edificio, ya nos solo de las diferencias existentes entre el diseño

previo y la realidad del edificio ya construido sino que también del perfil de demanda en base a los

horarios y tipologías de utilización.

Si de lo que se trata es que la instalación funcione sin problemas como pudiera ser en un instalación

convencional, unos pequeños ajustes serán suficientes, pero si lo que se pretende es un

funcionamiento óptimo, será necesaria una estrecha vigilancia inicial y un ajuste más fino para

acoplar la instalación a la realidad compleja del edificio.

2 DESCRIPCION DEL EDIFICIO Y DE LA INSTALACION

El edificio alberga 26 viviendas de protección oficial y se sitúan en Durango. Consta de cinco

plantas más ático sobre rasante destinadas a viviendas y dos plantas bajo rasante, destinadas a

garajes y trasteros.

El edificio se divide en 4 viviendas de 1 dormitorio en planta baja, una de ellas adaptada. La planta

tipo queda constituida por dos viviendas de dos habitaciones y otras dos de tres. La planta ático

consta dos viviendas de un dormitorio, una de ellas adaptada. Además en el sótano existen un total

de 38 plazas de aparcamiento con sus correspondientes trasteros.

Figura 1. Edificio 26 viviendas de protección oficial

La instalación térmica del edificio, consiste en un sistema centralizado de calefacción y producción

de ACS por acumulación con dos depósitos, uno calentado por la bomba de calor geotérmica y otro

por una caldera de gas.

La generación de calor de la instalación está compuesta por una bomba de calor agua-agua

irreversible, de 68 kW de potencia térmica nominal y una caldera de condensación de gas natural,

con una potencia térmica de 120 kW.

Ambos equipos generadores de calor alimentan dos circuitos hidráulicos: uno para atender la

demanda de calefacción del edificio y otro para la producción de ACS.

La bomba de calor geotérmica atiende la demanda térmica base del edificio. Para ello, el

evaporador de la bomba de calor se conecta al circuito hidráulico del terreno, utilizando el sistema

de intercambio geotérmico como fuente de calor. El condensador alimentará al circuito de demanda

de la instalación o circuito primario, cediendo el calor producido al depósito de inercia de 2000

litros para la calefacción del edificio o al circuito primario del depósito acumulador de ACS de

precalentamiento según la posición de una válvula de tres vías todo o nada comandada por la

regulación del sistema en función de las necesidades de los usuarios y las condiciones

climatológicas.

Por otro lado, la caldera de condensación a gas natural alimenta por un lado, al depósito de inercia

de 2000 litros del circuito de calefacción del edificio, que entrará en funcionamiento sólo en las

puntas de consumo de calefacción cuando la bomba de calor geotérmica no llegue a cubrir las

necesidades. Además servirá al circuito primario de producción de ACS como sistema de apoyo al

precalentamiento obtenido con la bomba de calor con objeto de cumplir la normativa vigente en

relación al tratamiento antilegionela.

Además la instalación tiene un sistema monitorización para poder regular y controlar los comandos

de los distintos elementos de control para atender las necesidades energéticas de los usuarios

mediante un uso eficiente de la energía. Existen 23 sondas de temperaturas y 5 caudalímetros

ubicadas en todos los circuitos de impulsión y de retorno.

Figura 2. Esquema de Principio de la instalación

3 RESUMEN DE MEJORAS OBTENIDAS

Al ser de nueva ocupación, las viviendas han ido poco a poco siendo ocupadas y consecuentemente

durante el primer año únicamente se ha realizado una observación pasiva de ajuste, donde el interés

final estaba en dar un servicio adecuado intentando no tener ninguna reclamación de ningún

usuario. Por ser algo novedoso para el cliente, si fallara la más mínima cuestión, esta sería

sobredimensionada y la culpa, aunque no la tuviera, sería de la geotermia.

En fases posteriores, se han ido reflejando y analizando los parámetros reales de la instalación

obteniendo a día de hoy los siguientes resultados

Se ha mejorado el COP pasando de un 3,16 inicial a un 4,15 final. Se han disminuido las pérdidas

térmicas de la instalación en los depósitos de acumulación en un 36% y las pérdidas por

recirculación en un 29%. También se ha reducido el consumo eléctrico. Finalmente se puede decir

que el consumo de gas en la instalación de apoyo ha pasado de 16,91 a 13,37 m3 diarios.

Las medidas han sido bastantes y algunas de ella no están reflejadas en el documento. Sin embargo

se han cuantificado las mejoras en tres apartados. Algunas de las medidas tomadas tienen efectos en

varias mejoras. No obstante y por simplificar, se han expuesto en aquel apartado de mejora que más

efecto ha tenido.

3.1 Mejora del Rendimiento de la Bomba de Calor (COP)

Limitación de la potencia de la Bomba de Calor

La bomba de calor tiene una potencia de 68 kW con dos compresores. Es la encargada de dar la

demanda base de calefacción y en horas punta es apoyada por la caldera de gas natural. Cuando la

bomba de calor tenía permiso de funcionamiento arrancaban los dos compresores a la vez

independientemente del consumo.

Después de recopilar y analizar datos en las temperaturas de impulsión y retorno del circuito de

calefacción, se comprobó que la demanda de calefacción de este edificio era muy inferior a la

esperada.

El salto térmico máximo entre la impulsión y retorno en el circuito de calefacción apenas eran 2 ºC

en el caso más desfavorable. Un cálculo con este parámetro y el caudal nos reportó que la potencia

máxima demanda no excedía de los 35 kW.

Es muy llamativo el hecho que la potencia instalada es de 190 kW y la realmente necesaria solo 35

kW. La actuación inmediata que se realizó fue la limitación de la bomba de calor a trabajar con un

solo compresor de los dos que disponía. Este hecho hace entender el buen funcionamiento del

campo de captación puesto que está diseñado para una potencia superior a 60kW. La vigilancia del

campo de captación carece de relevancia, al menos como para ser mencionado en este informe.

Figura 3. Nueva potencia modo calefacción

Con esta medida se consiguió otro efecto que se puede observar en las gráficas siguientes que tiene

que ver con la velocidad de calentamiento del depósito de inercia. Al trabajar con una potencia

inferior, el depósito de inercia se calentaba más lentamente y se el número de arranques del

compresor de la bomba de calor disminuyó considerablemente.

Figura 4. Calentamiento y enfriamiento deposito inercia antes y después

El efecto inmediato de esta medida fue la mejora en el rendimiento de la instalación aumentando el

COP.

Cambio en el sistema de regulación.

El sistema trabaja con regulación en base a la curva climática eso quiere decir que la temperatura de

impulsión al circuito de suelo radiante es variable en función de la temperatura exterior.

En la situación inicial la regulación por curva climática se realizaba a través de una válvula de tres

vías situada a la salida del depósito de inercia. Esto implicaba que el depósito tenía que ser

calentado siempre a una temperatura constante y ésta debía ser la mayor posible.

El rendimiento de la bomba de calor está afectado directamente por esa temperatura de impulsión.

La medida inmediata que se tomó fue el cambio de la regulación de la válvula al depósito. La

regulación actúa sobre el depósito de inercia permitiendo disminuir su temperatura y mejorando

consecuentemente el rendimiento de la bomba de calor.

Figura 5. Sistema de regulación modo calefacción antes y después

Disminución de la consiga del depósito de baja temperatura

Otra de las medidas encaminadas a la mejora del rendimiento de la instalación está relacionada con

la temperatura de calentamiento del depósito de ACS, sobre aquel que está calentado por la bomba

de calor.

La temperatura de impulsión de la bomba de calor afecta directamente al COP.

Inicialmente la temperatura del depósito de baja temperatura trabajaba entre 40 ºC y 35 ºC. Para

alcanzar esos valores, la bomba de calor debía de superar valores de impulsión superiores a 50 ºC

por lo que el COP tenía un valor solo de 3,61 debido a que la maquina trabajaba en condiciones

altas.

En la siguiente tabla aparece el rendimiento de la bomba de calor instalada en función de las

temperaturas de salida del condensador y del evaporador.

Tabla I. Valores del COP en función de temperaturas de salida del condensador y evaporador

Para mejorar este rendimiento, se disminuyó la consigna del depósito de baja temperatura en 5ºC

luego también se redujo la temperatura de salida del condensador. Con este cambio el COP aumentó

a 4,10.

3.2 Reducción de las pérdidas

En esta apartado se mencionan tanto las pérdidas de calor por efecto de enfriamientos no deseados

como las derivadas del consumo eléctrico de las bombas de circulación. Las acciones van

encaminadas a ajustes en horarios y a ligeras modificaciones hidráulicas en la propia instalación

Limitación del horario de las bombas de circulación

Las bombas de calentamiento a depósitos estaban permanentemente circulando. Esto se debía a que

la temperatura del depósito se leía con los sensores ubicados dentro de la bomba de calor. Se

cambió la lectura directamente a la sonda del depósito y esto pudo permitir parar la circulación

permanente de las bombas de circulación. Esto provocaba un consumo eléctrico extra no necesario.

También se observó que la bomba de recirculación de ACS estaba encendida todo el día. No sólo

estaba afectando al consumo eléctrico de la propia bomba sino que el efecto de pérdidas de calor era

importante y se encuentran cuantificadas posteriormente.

Para disminuir este consumo se ha establecido un horario de funcionamiento a las tres bombas de

circulación.

Disminución de la consigna del Depósito de Alta y Baja Temperatura

La recirculación y las pérdidas por falta de aislamiento en los depósitos generan grandes pérdidas y

como consecuencia se enfrían más rápido, luego hay mas consumo de gas y mayor consumo

eléctrico del compresor de la bomba de calor.

Para poder cuantificar las pérdidas se han observado diversas situaciones. Un tramo de 4:00 a 6:00

donde se encuentra parada la bomba de recirculación de ACS y tampoco existe consumo. Un

segundo tramo de 6:00 a 7:30 donde si existe recirculación pero no consumo. Aparte de estos dos

tramos se han conseguido bastantes períodos donde a lo largo de los días se pueden ver infinidad de

situaciones sin consumo. Comprobando las pérdidas en los diversos períodos se podrán aislar las

pérdidas de calor debido a la recirculación y al enfriamiento de los depósitos.

Se han valorado las pérdidas de calor en los depósitos, aunque en la realidad existe otro factor que

influye, que es la estratificación del agua caliente en los depósitos. Este efecto también está presente

en la valoración de las pérdidas estáticas puesto que no se ha conseguido cuantificar por separado.

En la imagen se aprecia en rojo la curva inicial de temperatura del depósito de alta temperatura.

Desde las 4:00 hasta las 6:00 hay un enfriamiento de 0,685 ºC/ hora que es debido sólo a las

perdidas por falta de aislamiento ya que no hay recirculación ni tampoco consumo de ACS. De 6:00

a 7:30 también hay otro enfriamiento de 2,835 ºC/hora debido a la recirculación y a la falta de

aislamiento y se supone que no hay consumo.

Figura 6. Enfriamiento del depósito de alta temperatura antes (rojo) y después (azul)

Para disminuir estas pérdidas se ha bajado la consigna del Depósito de Alta Temperatura 5ºC.

En la imagen se aprecia en azul la curva de enfriamiento actual del depósito de alta temperatura.

Desde las 4:00 hasta las 6:00 hay un enfriamiento menor de 0,435 ºC/ hora, reduciéndolas en un

36%. Mientras que de 6:00 a 7:30 el enfriamiento es de 1,955 ºC/hora reduciéndolas en un 31 %.

3.3 Disminución del consumo de Gas Natural

Nueva consigna para la Caldera en modo calefacción

Inicialmente la caldera estaba programada con una temperatura de consigna y ésta era para el foco

más alto, es decir para calentar el depósito de alta temperatura del agua caliente. Cuando la caldera

entraba en funcionamiento para el apoyo de calefacción, la temperatura de impulsión era demasiado

alta y la bomba de calor se disparaba por presión de alta en el refrigerante.

Cuando entraba a dar calefacción la caldera, ambas impulsiones se mezclaban en el colector (1)

antes de entrar al depósito. La temperatura de impulsión de la caldera era de unos 80 ºC mientras

que la de la bomba de calor era de 50 ºC.

Esto provocaba un aumento considerable en la temperatura de retorno del depósito a la bomba de

calor de una temperatura de 60 ºC. Se separaba en el colector (2) uno para la caldera y otro para la

bomba de calor. El agua que entraba en el condensador de la bomba de calor estaba a tal

temperatura, que la propia bomba de calor no podía calentarla más, luego se paraba debido a la

sobrepresión del fluido refrigerante y prácticamente solo entraba la caldera para calentar el depósito

de inercia, luego había un gran consumo de gas natural.

Figura 7. Entradas (rojo) y salidas (naranja) en el depósito de inercia

Para evitar este mal funcionamiento se diferenciaron las dos temperaturas de consigna, en modo

calefacción y en modo ACS.

Instalación de una válvula antirretorno

Cuando se produce consumo, es necesario que los depósitos se regeneren con nueva agua. Al

producirse esto, las presiones de todo el circuito se igualan a la presión de red, que es a la presión

que entra el agua nueva

El depósito de baja temperatura calentado por la bomba de calor se calentará a 40 ºC y el de alta

temperatura calentado por la caldera a 60ºC

A medida que se van distanciando las temperaturas de un depósito y de otro, las diferencias

presiones de ambos también lo hacían. Como no existía ningún impedimento, la tendencia natural

es a igualar presiones y esto se realizaba mediante un trasvase de agua del depósito de alta al de

baja. El efecto que esto producía es que el depósito de baja se acababa calentando con el del alta. Es

decir que la mayor parte del ACS estaba siendo calentado por el gas.

Figura 8. Conexión entre depósitos sin válvula antirretorno

Para evitar este gran consumo de gas se ha instalado una válvula antirretorno entre ambos depósitos

para evitar la circulación de dicho caudal.

Disminución de la temperatura del Depósito de Alta Temperatura

Debido a la válvula termostática (V4V), el caudal que va a consumo (rojo) proviene por una parte

de la recirculación (naranja), del depósito de alta temperatura (rojo) y del agua de red (azul).

Dichos caudales son función de la temperatura a la que venga la recirculación y de la de

acumulación del Depósito de AT.

Figura 9. Combinación de caudales para la demanda de ACS

Inicialmente el depósito de alta temperatura estaba a 70 ºC. Como la temperatura de uso es de 50

ªC, un gran porcentaje del agua a demanda provenía de la recirculación y de agua de red y apenas

aportaba agua el depósito de alta temperatura. Como consecuencia había un bypass en el depósito

de baja temperatura.

En la grafica se aprecia bien dicho bypass, donde la velocidad de enfriamiento del depósito de baja

temperatura (roja) es mucha más lenta que la del depósito de alta temperatura (azul).

Figura 10. Bypass en el depósito de baja temperatura

Para evitar esto se ha reducido la consigna del depósito de alta temperatura.

4 CONCLUSIONES

En instalaciones complejas es necesario un ajuste al funcionamiento real del edificio. En este caso

la generación de calor se hace con dos tecnologías completamente diferentes como son la

combustión de gas y la bomba de calor geotérmica. Las variables de mal funcionamiento aumentan

exponencialmente. El diseño y la regulación adquieren especial relevancia para maximizar los

beneficios de la instalación.

No es normal que estos ajustes se realicen en ninguna instalación convencional, pero en geotermia

adquiere especial relevancia debido a que el objeto final de la misma es la eficiencia energética.

La monitorización es una herramienta fundamental para acometer este tipo de ajustes puesto que

permite sacar conclusiones mucho más certeras y fundamentadas.

Uno de las conclusiones más llamativas del estudio es la elevada cuantía en las pérdidas en la

recirculación del agua caliente sanitaria y en el enfriamiento de los depósitos, si bien se reconoce

que puede estar afectado por el fenómeno de la estratificación

Con todas estas modificaciones se ha disminuido el consumo diario de Gas Natural en un 21%, el

funcionamiento de la Caldera en un 13% y un aumento de 13 % en funcionamiento de la Bomba de

Calor.