marzo 2010 geotermia - colegio oficial de ingenieros ... · - aprovechamiento del calor...

GEOTERMIAMARZO 2010

Calderas de condensación Bajo NOx

Energía Solar Geotermia Caldera Pellets

AMPLIA GAMA DE PRODUCTOS

Sede central de VAILLANT en Remscheid Alemania

Mas de 11000 empleados en 2009

Departamento de I+D compuesto por mas de 350 personas

14 plantas de producción en 7 países europeos

INDICE

– Principios de la Geotermia

– La bomba de calor

– Aplicaciones

– Sistemas Geotérmicos

– Bombas de calor geoTHERM

– Principio de funcionamiento

– Kit frio/calor y sistema cascada.

– Tipos de captadores

– Diseño de instalaciones

– Esquemas hidráulicos

– Conclusiones

- Aprovechamiento del calor “geotérmico” de la capa superficial de la Tierra.

- El calor proviene del centro del planeta(temperatura 4.200ºC aprox) y del Sol.

¿Qué es la energía Geotérmica?

- Fuente inagotable de energía para climatizar la vivienda, durante el día o la noche, en invierno o verano, sin importar las condiciones externas.

Variación de la temperatura del terreno lo largo del año

La tierra

CLASIFICACIÓN EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA– E.G. ALTA TEMPERATURA: Tª>150ºC

– E.G. MEDIA TEMPERATURA: 150ºC <Tª>90ºC

– E.G. BAJA TEMPERATURA: 90ºC <Tª>25ºC

– E.G. MUY BAJA TEMPERATURA: Tª<25ºC

La cantidad de energía que la tierra emite al espacio, por día, es equivalente a cuatro veces las necesidades de energía de la humanidad

30.6.2007 C 146/11 Diario Oficial de la Unión Europea

Aprobado en su 68 Pleno celebrado los días 13 y 14 de febrero de 2007 (sesión del 13 de febrero)

Dictamen del Comité de las Regiones «Política de la vivienda y política regional»

… a la hora de crear infraestructuras de vivienda, los planificadores deben considerar desde un principio opciones sostenibles desde el punto de vista medioambiental. Por ejemplo, la instalación de sistemas de calefacción geotérmica para el agua no sólo resulta eficiente desde el punto de vista energético, sino que reducirá los costes de la calefacción …

La geotermia es considerada en Europa como fuente de energía renovable

BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA

¿Qué es una bomba de calor?

Una BOMBA DE CALOR es una máquina que permite transferir calor de un foco frío a un foco caliente. Para lograr esa acción es necesario un aporte de trabajo dado que el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no al revés, hasta que sus temperaturas se igualan.

Para el funcionamiento de las bombas de calor se utilizan diversos fenómenos físicos, siendo los más comunes la compresión de un gas y el cambio de estado entre sus fases gas y líquido.

Foco frío Foco caliente

Calor

Bomba de Calor

Funcionamiento de la bomba de calor

Funcionamiento de la bomba de calor

Compresión

Expansión

Intercambiador

(evaporador)

Intercambiador

(condensador)

TIPOS: AIRE-AIRE, AIRE-AGUA, AGUA-AGUA…..

DEFINICIÓN DE COP (COEFICIENTE OF PERFORMANCE)

El COP es una relación entre la producción de calor y el consumo de energía

Ej: COP = 4

Por cada kW consumido de electricidad obtenemos 4 kW de calor para la vivienda.

Con el COP medimos el rendimiento de la bomba de calor

CICLO DE CARNOT

a: energía obtenida del medio ambiente.

b: energía motriz del compresor.

(a+b): energía total suministrada.

VARIACIONES DEL COP

0

1

2

3

4

5

6

7

-5 0 5 10 15

Brine/ Water temp of geothermal system in °C

Ener

gy u

se ε

(CO

P) T = 35°C

T = 45°C

T = 55°C

Bombas de calor

water

ground

air

efficiency

availability Disponibilidad:

+ Disponible en casi todas partes

- Baja eficiencia debido a la alta variación de temperatura y de bajo calor específico de la capacidad de transporte de calor

Eficiencia:

- Mayor inversión

+ Alta eficiencia debido a la casi constante la temperatura y la mayor capacidad de calor específico portador del calor

APLICACIONES DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA

DIFERENTES USOS DE LA GEOTERMIA.

Geotermia de alta temperatura > 150º C

Primera instalación de generación de energía eléctrica de origen geotérmico en Larderello(Italia), en 1904

Después de 100 años el Campo geotérmico de Larderello continúa productivo.

Aplicaciones alta temperatura

Aplicaciones baja temperatura

Centrales eléctricas Geotérmicas en MWt

Bombas de Calor Geotérmicas en MWt

Uso directo para calefacción en MWt

Comparativa de emisiones sobre energía primaria

Ventajas de la bomba de calor geotérmica.

– Ahorro energético ( hasta 75% en calor y máximo de 85% en frio).– Ahorro consumo energía eléctrica (pagamos menos por el mismo

confort)– Sin necesidad de acopio de combustibles sólidos, líquidos, pellets,

madera....– Sencillo funcionamiento y sin peligro (sin depósito de gasoil o gas,

sin necesidad de protección contra fuego,...)– Sin humos, sin polvo, sin hollín, etc....– Alto confort térmico debido a la generación a bajas temperaturas– Mantenimiento– Aprovechamiento de una energía renovable y sostenible.

SISTEMAS GEOTÉRMICOS

Sistemas Geotérmicos (Circuito primario)

– Podemos definir los sistemas en 3 grupos:

De todos ellos los mas usuales son:

Agua – Agua

Tierra – Agua (GeoTHERM)

Todos ellos tienen como ventaja:1. Independencia de las condiciones

climáticas exteriores.

2. Ubicación del generador en el interior de un local.

3. Mínimo ruido y tamaño

4. Producción de ACS

5. Sin chimeneas, depósitos, etc.

Refrigerante – Refrigerante

Refrigerante – Agua

Refrigerante – Aire

Tierra – Refrigerante

Tierra – Agua

Tierra – Aire

Agua – Refrigerante

Agua – Agua

Agua – Aire

1

2

3

Sistemas basados en REFRIGERANTE

VENTAJASAusencia de ruidosA.C.SSin máquina en el exterior

DESVENTAJASDifíciles de instalarRendimiento muy condicionadoAlto volumen de refrigeranteAlto riesgo de averíasImposible de determinar el COP/EER

Directo Semi Directo

Sistemas basados en AGUA

VENTAJASFácil instalación y rápidaInstalación económicaMuy alto rendimiento (COP/EER)Ausencia de ruidosA.C.SSin máquina en el exterior

DESVENTAJASProblemas en EspañaAlto riesgo de:

SuciedadIncustraciones

Riesgo de agotamiento del acuífero

Sistemas basados en TIERRA

VENTAJASRendimientos MUY establesAlto rendimiento (COP/EER)Ausencia de ruidosA.C.SSin máquina en el exterior

DESVENTAJASInstalación complejaCosto de la instalación

LA BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA

Com

pres

ión

Vaporización

Licuefacción

Lam

inac

ión

Entalpía

h (kJ/kg)

Presión

P (bar)

LíquidoLíquido-Vapor Vapor

recalentado

Ciclo del refrigerante

Captación exterior

Instalación

Principio de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica

Suelo radiante

En invierno el intercambiador absorbe el calor del suelo proporcionando calefacción en el interior.

En verano el intercambiador cede calor al suelo proporcionando refrigeración.

La bomba de calor geotérmica absorbe calor del terreno en periodo de calefacción a través de un conjunto de tuberías enterrado en el exterior para cederlo en la instalación interior. En periodo de refrigeración cede el calorextraído en la instalación interior al terreno. Los sistemas geotérmicos reversibles mejoran la recuperación del terreno al calentar en verano el terreno enfriado durante el periodo de calefacción.

Principio de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica

Recalentador

1

23

4

2‘‘3‘

1‘‘

1‘

Trabajo del compresorEnergía medioambiental en intercambiador

Componentes en el circuito frigorífico

Compresor Scroll

Intercambiador de placas circuito geotérmico

Subenfriador

Válvula de expansión

Recalentador

Intercambiador de placas circuito de calefacción

14 bar, 67 °C

14 bar, 34 °C

14 b

ar, 2

5 °C

4 bar, -3 °C

4 bar, 2,5 °C

4 bar, 6,5 °C

Funcionamiento geoTHERM

Circuito primario

TERRENO

Circuito secundario

Vivienda / ACS

10ºC

7ºC

35ºC

30ºC

Funcionamiento de un compresor scroll

En el interior del compresor existen dos espirales:

La blanca es la estacionaria (fija), mientras que la roja se mueve en movimientos excéntricos.

El refrigerante es aspirado en forma de vapor en la cámara exterior y va circulando y comprimiéndose a su vez hacia el interior mediante los movimientos excéntricos de la espiral móvil.

Entrada del Refrigerante

Espiral móvil

Espiral fija

Espiral estacionaria

Espira móvil

Intercambiadores de alto rendimiento con inyección de líquido

Los intercambiadores están formados por placas rugosas por las cuales por unas pasa el refrigerante y por otras el agua.

En el evaporador el refrigerante absorbe el calor del agua, el agua se enfría y el refrigerante líquido se evapora.

En el condensador, el refrigerante cede calor al agua, el agua se calienta y el refrigerante se licua.

Estructura de la válvula de expansión.

– La válvula de expansión tiene como misión:

– Reducir la presión del fluido refrigerante a su entrada al evaporador.

– Inyectar la cantidad óptima de refrigerante en el evaporador para obtener el mejor rendimiento.

Estructura del intercambiador

– El uso de este dispositivo tiene como misión por un lado garantizar que el 100% del refrigerante se evapore antes de su entrada al compresor a través de un sobrecalentamiento. Esto impide líquidos penetrantes en el compresor.

Por otra parte, el adicional sub-enfriamiento del refrigerante que evita que el refrigerante entre en forma de gas en la válvula de expansión, mejorando su rendimiento y funcionamiento.

Schnitt

Los golpes de líquido son el peor enemigo de un compresor

Estructura del filtro / deshumidificador

Su misión es filtrar y eliminar las posibles gotas de humedad residual. El agua contenida en el circuito refrigerante daría lugar a la formación de cristales de hielo que podría perturbar la totalidad del ciclo de refrigeración.

1 Filtro de entrada2 Agente secador

La humedad es el peor enemigo de un sistema de refrigeración

Bomba de calor geotérmicas Vaillant

Modelos bombas Geotérmicas Vaillant

Bomba de calor para calefacción de gran potencia

(22,30,38,46 kW)

Bomba de calor para calefacción con válvula de

inversión para ACS (6,8,10,14,17 kW)

Bomba de calor para calefacción con

refrescamiento pasivo y depósito de ACS

integrado(6,8,10 kW)

Bombas de Calor para calefacción geoTHERM VWS

Características del producto

- Producción de calefacción y A.C.S.– Bomba de Calor con compresor Scroll, moderna y resistente– Unidad de control del consumo de energía con sonda exterior y una

pantalla amplia para la indicación de los gráficos– Resistencia eléctrica auxiliar disponible con 2/4/6 kW según modelos– Recirculador de primario– Recirculador de secundario (salvo en geoTHERM pro)

– Válvula de 3-vías para la producción de ACS (salvo en geoTHERM pro)

– Intercambiadores de placas de alta calidad en acero inoxidable– Limitador de corriente de arranque ( salvo VWS 141/2 y VWS 171/2)

Con geoTHERM exclusive:– Deposito serpentín de 175 l ACS fabricado en acero inoxidable– Passive Cooling.

geoTHERM VWS

geoTHERM exclusive

geoTHERM exclusiv

INCORPORA:–Depósito ACS de 175 l–Intercambiador para “passive cooling”–V3V para ACS–Bomba recirculación de primario–Bomba recirculación secundario–Apoyo eléctrico de 4 kW (2+2)–Arranque fácil

geoTHERM exclusive

geoTHERM

INCORPORA:

–V3V para ACS–Bomba recirculación de primario–Bomba recirculación secundario–Arranque fácil en modelos monofásicos.–Apoyo eléctrico de:

– 4 kW para modelos monofásicos– 6 kW para modelos trifásicos

geoTHERM

geoTHERM pro

geoTHERM proNO INCORPORA:–Bomba recirculación de secundario–V3V para ACS–Apoyo eléctrico

INCORPORA:–Bomba recirculación de primario–Arranque fácil

Leyenda:

1 Circuito impreso con conexiones ProE

2 Unidad de equilibrado energético con sonda

exterior

3 Válvula diversora de A.C.S.

4 Resistencia de apoyo eléctrico

5 Presostatos

6 Bomba de circulación lado bomba de calor

7 Condensador intercambiador de placas

8 Compresor scroll

9 Válvula de expansión

10 Bomba circulación lado geotérmico

11 Evaporador intercambiador de placas

12 Conexiones flexibles, en el modelo sin tanque

13 Conexiones eléctricas

14 Serpentín de acero inoxidable

15 Cilindro de alta capacidad de acero

inoxidable

16 Aislamiento del tanque en polietileno

Modo ACS

Modo CALEFACCIÓN

Modo ACS Modo calefacción

geoTHERM VWS

geoTHERM exclusive – Passive Cooling

11 °C

14 °C

18 °C

23 °C

1

2

3

VálvulaFrío - Calor

VálvulaCalefaccion / ACS

1

2

3

VálvulaCalefaccion / Passive Cooling

geoTHERM exclusive - Calefacción




1

1

22

3

311 °C

8 °C

30 °C

35 °C

geoTHERM exclusive – ACS

1

2

311 °C

8 °C

50 °C

55 °C max 62ºC



1

2

3


Concepto de montaje modular: geoTHERM plus

Transporte por separado de la Bomba de Calor y del deposito

Montaje Cuadro eléctrico abatible para un mejor acceso

Instalación: Sin depósito 6…17 kW

Vista Frontal:– Control

Vista trasera:– 1 Impulsión de calefacción

– 2 Retorno de calefacción

– 3 Retorno de acumulador

– 4 Entrada del captador (tierra)

– 5 Salida al captador (tierra)

– 6 Boquilla de paso de cables

Todas las conexiones de agua son de 28 mm de diámetro

Vista frontal Vista trasera

Placa electrónica

Panel de control

–Fácil de operar mediante “girar y pulsar” así como las indicaciones de texto iluminadas y explicadas–Indicación y solicitud de:–Presión y temperatura en el circuito de refrigeración y en el circuito de calefacción.–Pantalla con el estado de la secuencia de fases del compresor y monitorización de la correcta secuencia de fases del suministrador principal.–Indicación de averías y defectos en el pasado gracias al histórico de averías.–Estado actual de los componentes y funciones que están operando:(resistencia eléctrica auxiliar, periodos de apagado, válvula de desescarche, bomba de calefacción, etc.)

Indicación de la energía medioambiental

Indicación del rendimiento energético sobre el año

Depósito de inercia

Interacumulador para ACS

KIT FRÍO-CALOR

Solución:– Bombas de calor geotérmicas 06 y 08: Módulo RM 80 + CUADRO DE CONTROL– Bombas de calor geotérmicas 10, 14 y 17: Módulo RM 170 + CUADRO DE

CONTROL– Bombas de calor geotérmicas PRO y futuras cascadas CUADRO DE CONTROL +

RECOMENDACIÓN DE V3V.

Intercambiar los flujos de primario y secundario con las ventajas que esto reporta en fiabilidad y prestaciones de la BCG (REVERSIBILIDAD HIDRÁULICA)

El kit frío – calor está compuesto por 4 válvulas de 3 vías del tipo diversora y 2 klixon de seguridad.

Klixon K1 es una seguridad de Tº de pozo. Cierra cuando la Tª pozo es > 35 ºC.

Klixon K2 es una seguridad antihielo, debe activarse cuando se instale intercambiador. Cierra cuando la Tª impulsión es < 1 ºC.

KIT FRÍO-CALOR

A.C.S

Kit frío / calor para geoTHERM pro

KIT FRÍO-CALOR

ViviendaEv

apor

ador

Con

dens

ador

Vivienda

Evap

orad

or

Con

dens

ador

FRIO ACTIVO y ACS FRIO PASIVO

Intercambiador de placas

Agujas hidráulicas

Sistemas en cascada con geoTHERM pro

– Posibilidad de instalar hasta 4 BCG pro en cascada. – El trabajo se centra en los siguientes tipos:

– Esquema básico: Calefacción / ACS + Passive Cooling– Esquema avanzado: Calefacción / ACS + Passive Cooling + Refrigeración– Esquema 4 tubos: Refrigeración + Calefacción / ACS

TIPOS DE CAPTADORES

DIFERENTES SISTEMAS DE CAPTACIÓN.

– Captación Vertical– Captación Horizontal– Pilotes energéticos– Otros

ELECCIÓN DEL SISTEMA CORRECTO

Los criterios técnicos fundamentales son:- Demanda/rendimiento de la climatización.- Consumos de agua caliente sanitaria.- Cortes eléctricos de las compañías.- Horas de funcionamiento a plena carga.- Instalación / montaje de acuerdo con VDI 4640 ()

La elección de un sistema depende de:- Condiciones geológicas.- Normativas y regulaciones.- Espacio.- Condiciones de la edificación.

– Menor requerimiento de superficie exterior

– Perforación entre 100 y 220 mm de diámetro, profundidad de 50-150m

– Sondas de 2 o 4 tubos

CAPTACIÓN VERTICAL

SONDAS VERTICALES

SONDAS

Comparison single- U /double- U probe 32 and 40with and without spacer

80 85 90 95 100 105 110 115 120

double U probe 32

single U probe 32

double U probe 32 with spacer

single U probe 32 with spacer

double U probe 40

single U probe 40

double U probe 40 with spacer

single U probe 40 with spacer

SondenTiefe [m]

SONDAS SIMPLES O DOBLES

MATERIAL DE LAS SONDAS

TIPOS DE PERFORACIÓN

SONDEO MEDIANTE ROTOPERCUSIÓN

SONDEO A CIRCULACIÓN DIRECTA

– Mayor requerimiento de superficie exterior

– El intercambio de calor depende de la composición del suelo y es mayor cuanto mayor es la humedad en el suelo.

– Profundidad de 1.2 a 1,5 m.

CAPTACIÓN HORIZONTAL

SONDAS HORIZONTALES

CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

Caracol

Todas las áreas

Doble meandro

Área o Zanjas

Tichelmann

Área o Zanjas

Pilotes, cimentaciones

Permisos perforaciones

Diseño de instalaciones

El punto de partida para la elección del sistema es siempre la potencia del evaporador, es decir, el calor a captar del subsuelo o , en el caso de una aplicación de refrescamiento, el calor a aportar al mismo

La decisión entre captadores horizontales y verticales viene determinada por las condiciones geológicas del emplazamiento, el espacio disponible y las características de la edificación.

DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

]/[__

][][mWextraccióndeespecífica

WevaporadorSondas

PPmL =

]/[][][ 2

__

2_

mWPWPmS

extraccióndeespecífica

evaporadorgeotérmicocolector =

Captación horizontal

Tabla horizontal B0W35 (Rendimiento 25 W/m2 terreno normal)

DA 400,8 mhúmedo

DA 320,7 mnormal

DA 250,5 mseco

TuberíaSeparaciónTerreno

Captación vertical

Tabla vertical B5W35 (Rendimiento 50 W/m terreno medio)

200 m2

200m2x60W/m2=12000 W

COP=4

3kW electricidad

9 kW evaporador

9000W/50Wm = 180 m sondeo

200 m2

200m2x100W/m2=20000 W

COP=4

5kW electricidad

15 kW evaporador

15000W/50Wm = 300 m sondeo

Instalador 1 Instalador 2

Coste de presupuesto, monofásica a trifásica, contrato de la luz, consumo de la máquina

CÁLCULO DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN

Ejemplo: Localidad: Valladolid.

Vivienda unifamiliar 160 m2 de suelo radiante y 4 personas consumo ACS.

Tipo Captación: Vertical

Bomba de calor necesario: 10 kW

Tipo de suelo normal (50W/m) => 1 perforación 201 m

Tipo de suelo húmedo (80W/m) => 1 perforación 126 m

COMPARATIVA ENERGÉTICA

1447 € de ahorro anuales respecto a una caldera de gas de condensación.

Ejemplo: Localidad: Valladolid.

Vivienda unifamiliar m2 de suelo radiante y 4 personas consumo ACS.

Tipo Captación: Horizontal

Bomba de calor necesaria: 14kW

Tipo de suelo normal (20 W/m2) => espacio necesario 450 m2

Tipo de suelo húmedo (40 W/m2) => espacio necesario 225 m2

Esquemas hidráulicos

– Esquema1: Bomba de calor para calefacción

– Esquema 2: Bomba de calor para calefacción con depósito intermedio.

– Esquema 3: Bomba de calor para calefacción con depósito de ACS.

– Esquema 4: Bomba de calor para calefacción con depósito intermedio y depósito de ACS.

– Esquema pasive cooling.

– Esquema con kit de frio/calor geoTHERM.

– Esquema con kit de frio/calor geoTHERM pro.

– Ejemplos de instalaciones.

Circuito geotérmico

Esquema1: Bomba de calor para calefacción


Esquema 2: Bomba de calor para calefacción con depósito intermedio.


Esquema 3: Bomba de calor para calefacción con depósito de ACS.


Esquema 4: Bomba de calor para calefacción con depósitointermedio y depósito de ACS.

Esquema hidráulico 4 bis

Esquema de principio con geoTHERM

CONCLUSIONES

- Ahorro en el consumo de energía (hasta un 75% menos en generación de calor)

- Pagamos menos por el mismo confort

- Independencia de las variaciones de precio de los carburantes (gas, gasoil,..)

- Sin necesidad de acopio de combustible (gas-oil, pellets,propano…)

- Reducción de las emisiones de CO2

- Sistema de funcionamiento muy estable, independiente de las condiciones meteorológicas y con altos coeficientes de rendimiento

- El mismo sistema nos puede proporcionar calefacción, ACS y refrescamiento.

- Mantenimiento económico

- Aprovechamiento de una energía renovable y sostenible

GEOTERMIA

¡Gracias por su atención!

Silvia Fernández Salinas

Telf: 983 342 325 / 607 194 659

[email protected]

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