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1BOMBAS DE CALOR GEOTRMICAS
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2ndice
Fundamentos de la mquina frigorfica y la bomba de calor
Tecnologa de las bombas de calor agua-agua
Fundamentos de los intercambiadores de calor enterrados
-Tipos de intercambiadores
-Clculo de intercambiadores
Funcionamiento de la bomba de calor acoplada al terreno
La consideracin de las bombas de calor como energa renovable
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3FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR
O cmo llevar el calor de dnde hay menos temperatura a dnde hay ms
Foco caliente
Foco fro
Pa
Pf
Pc
Tc
Tf
Foco caliente: Edificio (Tc = 22C) (sumidero de calor)Foco fro: Medio Ambiente (Tf = 0C) (fuente de calor)Pf: Potencia Frigorfica (kW)Pc: Potencia Calorfica (kW)Pa: Potencia absorbida (kW)
COP = Pc / PaEER = Pf / Pa
consumida Energaafrigorfic EnergaCSPF =
consumida Energacalorfica EnergaHSPF =
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4FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR
Foco caliente
Foco fro
Tc
Tf
Tcondensacin > Tc
Tevaporacin < Tf
Evaporador
CondensadorCompresor
Expansin
Gas
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51
22s3
4
FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR
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6Ecuaciones del evaporador Ecuaciones del condensador
Ecuaciones del compresor Ecuacin de la vlvula de expansin
Condiciones de contorno
FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR
( )32refrigcond hhmQ = ( )e aire,s aire,airecond hhmQ =
condcondcond DTLMFUAQ =
( )12refrigcomp hhmP = ( )( )12
12scomp hh
hh
=43 hh =
Temperaturas de los medios ambiente: Tc , TfCaudales de los medios ambientes (aire, agua, etc.)
Geometras de los intercambiadores de calor UA
( )41refrigevap hhmQ = ( )s aire,e aire,aireevap hhmQ =
evapevapevap DTLMFUAQ =
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7Resolucin del problema
Presin y temperatura de evaporacin
Presin y temperatura de condensacin
Potencia frigorfica
Potencia calorfica
Potencia absorbida
COP, EER
Las prestaciones y el funcionamiento de la bomba de calor, van a depender en cada caso de los medios ambientes (los focos fro y caliente), contra los que trabaje
FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR
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8Clasificacin de equipos
Aire-Agua
Aire-Aire
Agua-Aire
Agua-Agua
BOMBAS DE CALOR BOMBAS DE CALOR GEOTERMICASGEOTERMICAS
FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR
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9TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
Tecnologa de equipos no reversibles
Sin inversin del ciclo frigorfico Cambio de funcionamiento
se hace en el lado agua
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Tecnologa de equipos reversiblesTECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
Sondaexterior
Suelo
Termostato ambiente
REGULADOR
MDULO REGULACIN
Vaso de expansi n
Llenado
Bomba circu itodistribucin
Vlvu la deseguridad+ Manmetr o
Depsitotampn(opcional)
Vlvula de co rte
Toma para termmetro
Manguitosflexibles Filtro
Pozo o capafretica
Vlvula de pie
Filtro
Bomba
INVIERNOVERANO
A pozoinyeccin
Inversin del ciclo frigorfico Cambio de funcionamiento
se hace en el lado refrigerante
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUATecnologa de equipos reversibles
Ciclo de Calefaccin
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUATecnologa de equipos reversibles
Ciclo de Refrigeracin
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
COMPRESORES Refrigerantes actuales HFC (R-410a, R-407C): no perjudican la capa de ozono Refrigerantes futuros? (propano R-290, CO2 R-744, NH3 R-717): sin potencial de
efecto invernadero Tecnologa scroll
0
1
2
3
4
5
6
SCROLL-R407C SCROLL-R290 PISTON-R290 SCROLL-R410a
Diferentes COP para diferentes combinaciones de compresores y refrigerantes en diferentes bombas geotrmicas de 17 kW (Fuente: CIATESA)
Compresor scroll(Fuente: emersonclimate.com)
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Intercambiadores de placas soldadas Compactos Acero Inoxidable
Intercambiador de placas(Fuente: CIAT GROUP)
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
INTERCAMBIADORES DE CALOR. CONFIGURACIONES DE FLUJO
Bomba de Calor (Agua-Agua) Entrada Salida Entrada SalidaTemperatura agua Circuito Interior (C) 12 7 10 5Temperatura agua Circuito Exterior (C) 30 35 40 45
Refrigeracin Calefaccin
Potencias intercambiadas en el condensador y evaporador para diferentes configuraciones de flujo en los intercambiadores de calor. Funcionamiento en calefaccin. (Fuente: CIATESA)
Potencia en CALEFACCION
17,52416,466 17,052 16,494
12,71111,447 12,177 11,682
024
68
101214
161820
cond-contra_evap-contra cond-equi_evap-equi cond-contra_evap-equi cond-equi_evap-contraConfiguracin Intercambiadores
P
o
t
e
n
c
i
a
[
k
W
]
Potencia Calorfca Potencia Frigorfica
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
INTERCAMBIADORES DE CALOR. CONFIGURACIONES DE FLUJOPotencia en REFRIGERACION
18,23119,991
18,877 18,834
14,23215,895
14,767 14,743
02468
101214161820
cond-contra_evap-contra cond-equi_evap-equi cond-contra_evap-equi cond-equi_evap-contra
Configuracin Intercambiadores
P
o
t
e
n
c
i
a
[
k
W
]
Potencia Calorfca Potencia Frigorfica
Bomba de Calor (Agua-Agua) Entrada Salida Entrada SalidaTemperatura agua Circuito Interior (C) 12 7 10 5Temperatura agua Circuito Exterior (C) 30 35 40 45
Refrigeracin Calefaccin
Potencias intercambiadas en el condensador y evaporador para diferentes configuraciones de flujo en los intercambiadores de calor. Funcionamiento en refrigeracin. (Fuente: CIATESA)
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SOLUCIN DE COMPROMISO
Condensador en Contra-Corriente siempre
Evaporador en Equi-Corriente siempre
SOLUCIN COMERCIAL PARA EL MERCADO DEL NORTE DE EUROPA (EJEMPLO)
Condensador en Contra-Corriente en calefaccin
Evaporador en Contra-Corriente en calefaccin
Sentido preferencial para la vlvula de expansin primando el modo calefaccin
TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
INTERCAMBIADORES DE CALOR. CONFIGURACIONES DE FLUJO
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
GRUPO HIDRULICO INCORPORADO
Instalaciones plug in, normalmente en pequeas potencias
Bomba de circulacin(Fuente: GRUNDFOS)
GRUPO HIDRULICO EXTERNO
Suministrado por fabricante o instalado in situ
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
PRODUCCIN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Tamb
INTERCAMBIADORGEOTRMICO
SUELO RADIANTE
DEPOSITOACS
60C
Mediante intercambiador de gases calientes (desuperheater)
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20
Tamb
INTERCAMBIADORGEOTRMICO
SUELO RADIANTE
DEPOSITOACS
60C
TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
PRODUCCIN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)
Mediante vlvula de 3 vas
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TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUA
4 kW4 kW 35 kW35 kW 300 kW300 kW 1,1 MW1,1 MW
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FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOS
CAPTACIN EN CIRCUITO ABIERTO VS INTERCAMBIADOR CERRADO
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TIPOS DE INTERCAMBIADORES HORIZONTALES
Prximos a la superficie
Influenciados por las fluctuaciones de temperatura ambiente
Mayor superficie ocupada
Mayor riesgo de rotura
Sencillos de instalar
Pequeas potencias
(Fuente: Proyecto PROFIT GEOTERMIA)
(Fuente: Programa GEO CIATESA)
FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOS
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FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSTIPOS DE INTERCAMBIADORES
VERTICALES (BOREHOLES)
No afectados por las condiciones ambientales
Menor superficie ocupada
(Fuente: Proyecto GEOCOOL
(Fuente: Programa GEO CIATESA)
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FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSTIPOS DE INTERCAMBIADORES
VERTICALES (BOREHOLES)
Dificultad de instalacin. Mayor especializacin
Mayor costo
Libres de mantenimiento
Debate:
especialistas en sodeos vs especialistas en geotcnia y micropilotaje?
(Fuente: ENERGESIS INGENIERA S.L.
La respuesta en Europa y USA:
Especialistas en bombas de calor geotrmicas.
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FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOS
TIPOS DE INTERCAMBIADORES
SLINKY
(Fuente: ELK 2004. Cortesa EVE)
Prximos a la superficie
Influenciados por las fluctuaciones de temperatura ambiente
Ms compactos
Laboriosos
Pequeas potencias
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FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSTIPOS DE INTERCAMBIADORES.
INTEGRADOS EN LA EDIFICACIN
(Fuente: Instalaciones TONVA S.L.)
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(Fuente: Stent. Cortesa EVE)
FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSTIPOS DE INTERCAMBIADORES
INTEGRADOS EN LA EDIFICACIN. PILOTES GEOTRMICOS
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FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSCLCULO DE INTERCAMBIADORES GEOTRMICOS. MTODO IGSHPA
q (W/m)
International Ground Source Heat Pump Association
Teora lnea infinita (Kelvin 1861)
Fuente de calor de espesor muy pequeo y longitud infinita que slo cede calor en sentido radialTf Ts
La resistencia del suelo, Rs, ha sido descrita por diversos autores, (Ingersoll & Plass 1948), (Ramey 1962)
)r,(t,RR:suelo trmica aResistencik2
rrln
R :tubera trmica aResistenci
)R(RTT
QL :adorintercambi de Longitud
RRTTq
sss
t
i
e
f
stsf
st
sf
==
+=+=
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30
FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSCLCULO DE INTERCAMBIADORES GEOTRMICOS. MTODO IGSHPA
El calor inyectado o extrado del terreno vara durante el funcionamiento de la bomba de calor. La mquina arranca y para, y adems, su funcionamiento tambin depende de la temperatura de aplicacin en el edificio.
Las expresiones matemticas de las que se obtiene la resistencia trmica del suelo Rs, deberan contemplar este efecto. En la prctica es suficiente aproximacin con multiplicar la potencia calorfica por el factor de utilizacin. Que es la fraccin del tiempo en la que realmente la bomba de calor ha estado en marcha.
El clculo del factor de utilizacin Fu debe hacerse por simulacin de la demanda energtica en cada caso. Cada edificio en cada climatologa, y con cada equipo de climatizacin, tendr un factor de utilizacin. Un mtodo de bin-hours da suficiente precisin.
FuRR:suelo trmica aResistenci ss =*
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FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSCLCULO DE INTERCAMBIADORES GEOTRMICOS. MTODO IGSHPA
La temperatura del terreno Ts a una profundidad y a un tiempo, es funcin de la temperatura exterior en ese instante (Kusada&Achenbach 1965):
Para obtener la longitud de intercambiador necesario para satisfacer la mxima carga de refrigeracin se tomar el instante de mxima temperatura anual. Viceversa para el caso de calefaccin
365y
mMAX365y
mMIN eATTeATT +== ,
aoeltodoenbajamsmediaatemperaturlacontiempotddifusivida
mediaatemperaturTsuperficieladeatemperaturladeoscilacinladeamplitudA
tiempotdprofundiday
)]
3652yT-t-(t
3652cos[eA-Tt)(y,T
0
m
s0365y
ms
======
=
-
32
FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSCLCULO DE INTERCAMBIADORES GEOTRMICOS. MTODO IGSHPA
)FuR(RTT
PL
)FuR(RTT
PL
CstfCMAX
cC
RstMINfR
fR
+=
+=
Finalmente, las expresiones para determinar la longitud de intercambiador necesario en refrigeracin y en calefaccin quedan:
Programa GEO CIATESA
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FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENOEl terreno es un foco de calor de temperatura estable. Tiene unaelevada inercia trmica. Aunque no puede considerarse una fuente o sumidero de calor infinito.
Variacin de la temperatura anual en Valencia (Difusividad del suelo = 0,005cm2/s)
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
mes
t
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Temperatura del aireTemperatura a 1,5m
(Fuente: Proyecto GEOCOOL)
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34
Representacin conjunta para toda la temporada de calefaccin de la energa consumida (izquierda) y de la energa calorfica aportada (derecha) para un sistema geotrmico (w-w) y un sistema convencional (a-w). Curvas obtenidas
por integracin numrica sobre una base de datos de mediciones reales.(Fuente: GEOCOOL)
A igualdad de energa entregada al edificio:El consumo del sistema geotrmico es ms estable. Oscila menos.El consumo es inferior. El rendimiento es mayor.
FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENO
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35
El propio funcionamiento de la bomba de calor, la extraccin o inyeccin de calor, alterar progresivamente la temperatura alrededor del intercambiador enterrado. Los diferentes diseos de intercambiadores van a tener su influencia en este aspecto.
Simulacin a 25 aos, ofrecida por dos programas distintos, sobre la temperatura media de retorno del agua del intercambiador enterrado. Carga predominante de refrigeracin. La figura ilustra como, en el caso de Valencia, la preponderancia de la carga de verano,
har que al cabo de 25 aos la temperatura media de retorno del agua del intercambiador enterrado aumente en 2,6C.Fuente: Proyecto GEOCOOL
FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENO
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La figura muestra la degradacin que experimenta el rendimiento estacional de verano (CSPF) y la mejora que se predice para el de invierno (HSPF), debido al calentamiento medio progresivo que ir
experimentando el terreno en un caso como el de Valencia.Fuente: Proyecto GEOCOOL
FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENO
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FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENO
Representacin conjunta para toda la temporada de calefaccin del COP diario y del HSPF (Rendimiento Medio Estacional de Calefaccin) medidos para un sistema convencional aire-agua (AW) y para un sistema geotrmico (WW) .
Fuente: Proyecto GEOCOOL
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FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENO
Representacin conjunta para toda la temporada de refrigeracin del EER diario y del CSPF (Rendimiento Medio Estacional de Refrigeracin) medidos para un sistema convencional aire-agua (AW) y para un sistema geotrmico (WW) .
Fuente: Proyecto GEOCOOL
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FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR ACOPLADA AL TERRENO
Comparacin entre los rendimientos medios estacionales (SPF) del sistema geotrmico calculados por simulacin y medidos experimentalmente
Fuente: Proyecto GEOCOOL
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LA CONSIDERACIN DE LAS BOMBAS DE CALOR COMO ENERGA RENOVABLELa Unin Europea clasifica las bombas de calor geotrmicas como energa renovable. As en la propuesta de Directiva de Fomento del Uso de Energa Procedente de Fuentes Renovables del 23/01/2008Artculo 5 Clculo de la cuota de energa procedente de fuentes renovables1. El consumo de energa final procedente de fuentes renovables en cada Estado miembro se calcular como la suma:
(a) del consumo final de electricidad procedente de fuentes de energa renovables;(b) del consumo de energa final procedente de fuentes renovables para la calefaccin y la refrigeracin; y(c) del consumo de energa final procedente de fuentes renovables en el sector del transporte.
()
5. () La energa trmica generada por las bombas de calor que utilizan la energa geotrmica del suelo o del agua se tendr en cuenta a efectos del apartado 1, letra b). La energa trmica generada por bombas de calor que utilizan el calor ambiental del aire se tendr en cuenta a efectos del apartado 1, letra b), a condicin de que la eficiencia energtica de estas bombas de calor cumpla los requisitos mnimos de etiquetado ecolgico previstos en el Reglamento (CE) n1980/2000, en su caso, en particular el coeficiente mnimo de rendimiento establecido en la Decisin 2007/742/CE, y revisados de conformidad con el mencionado Reglamento. ()
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41
En Espaa, los Entes y Agencias de Energa Autonmicos y Locales, muestran una actitud proactiva hacia esta forma de calefaccin y refrigeracin. En algunas Comunidades Autnomas existen programas de incentivos sobre los sobrecostes que suponen estas instalaciones.
A nivel nacional, persiste el debate entre si considerarlas energa renovable o clasificarlas como una forma eficiente de uso final de la energa.
Ambos planteamientos son igualmente vlidos y necesarios.
LA CONSIDERACIN DE LAS BOMBAS DE CALOR COMO ENERGA RENOVABLE
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LA CONSIDERACIN DE LAS BOMBAS DE CALOR COMO ENERGA RENOVABLEENERGA PRIMARIA
1 UD
PRDIDASTRANSPORTE
0,6 UD compresor
0,06 UD
CALOR EN LA NATURALEZAAIRE, AGUA SUBTERRNEA, SUELO,
MAR,SOL0,84 UD
ENERGA TRMICA APORTADAAL FOCO CALIENTE (EDIFICIO)
1,18 UD
TRABAJOCOMPRESOR
0,34 UD
BOMBA DE CALOR(HSPF=3,46)
Diagrama de Sankey. Fuente: CIATESA (modificado de: EVE, Monasterio et Al. (1993), Urchuegua (2004))
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43
Gracias por su atencinMiguel Zamora GarcaResponsable de [email protected]
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