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“Sistemas de climatización mediante tecnología geotérmica”Juan RodríguezResponsable del Área de Edificación de EnergyLabVigo, 23 de Mayo de 2012

Índice

Aprovechamientos geotérmicos para bomba de calor1

Generalidades1

2

Aspectos económicos y medioambientales en instalaciones de BCG

Fases de un proyecto de instalación de BCG3

4

Estado actual de la tecnología de BCG5

Ejemplos de instalaciones6

La energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor bajo la superficie del terreno. Se clasifica según la temperatura del recurso…

ALTA TEMPERATURA

MEDIA TEMPERATURA

t > 150ºC

90ºC < t < 150ºC

BAJA TEMPERATURA

MUY BAJA TEMPERATURA

30ºC < t < 90ºC

t < 30ºC

Generación eléctrica

Generación eléctrica en ciclos binarios y uso térmico directo en procesos industriales y climatización

Uso térmico directo en procesos industriales y climatización

Climatización con Bomba de Calor Geotérmica

Generalidades1

Generación de Energía Eléctrica mediante energía geotérmica:

Fuente: “International Geothermal Asociation” (2007).

La Energía Geotérmica: Recurso geotérmico a alta temperatura (t > 150ºC)

Generalidades1

Generación de Energía Eléctrica en ciclos binarios. Procesos industriales. District-Heating.

La Energía Geotérmica: Recurso geotérmico a media temperatura (90ºC < t < 150ºC)

Generalidades1

Calefacción y calentamiento de aguas mediante aprovechamiento directo del recurso.

La Energía Geotérmica: Recurso geotérmico a baja temperatura (30ºC < t < 90ºC)

Generalidades1

Siendo los aprovechamientos de muy baja temperatura para BCG (t < 30ºC) los más extendidos en su uso, ya que no se requiere de zonas geotérmicamente anómalas…

La constancia de temperaturas del subsuelo a partir de los 10-15 primeros metros de profundidad es lo que permite a las BCG lograr unas mayores prestaciones (COP y EER) que las bombas de calor convencionales.

El funcionamiento de las BCG es exactamente el mismo que el de cualquier bomba de calor. Aprovechando para su funcionamiento los intercambios térmicos de 3 fluidos de trabajo: El fluido caloportador geotérmico. El gas refrigerante del circuito de la BCG. El fluido caloportador de distribución de calor/frío.

Como cualquier bomba de calor, las BCG pueden generar calor y frío: Generación de calor: extrayendo calor del subsuelo. Generación de frío: inyectando calor en el subsuelo.

2 Aprovechamientos geotérmicos para bomba de calor

Aprovechamientos de muy baja temperatura para BCG

Existen diversos métodos para el aprovechamiento del calor del subsuelo, pero los más extendidos son:

Captación en circuito cerrado mediante un intercambiador enterrado de tuberías plásticas por el interior del cual circula una mezcla de agua y anticongelante: Disposición Horizontal (generalmente a profundidades de entre 1,5 y 2 m). Disposición Vertical (generalmente, en sondeos de entre 80 y 120 m).

Captación en circuito abierto mediante el aprovechamiento de aguas subterráneas.

Captación horizontal cerrada Captación vertical cerrada Captación vertical abierta

Aprovechamientos geotérmicos para bomba de calor2

Las distintas fases que comprenden un proyecto de instalación de bomba de calor geotérmica pueden resumirse en :

Diseño. Ejecución, pruebas y puesta en marcha. Mantenimiento.


Aclaración: Además de estas fases, serán necesarios los correspondientes trámites administrativos antes del inicio de la ejecución del proyecto (solicitud de la Licencia de Obra en el Ayuntamiento correspondiente y, en aquellas comunidades autónomas que así lo requieran, solicitud de la Licencia de Ejecución de las Perforaciones) y a su finalización (solicitud del Alta de la Instalación Térmica en la correspondiente Delegación Provincial de Industria).

Recopilación de información de la instalación correspondiente a: Ubicación, estructura de cerramientos, sistema de distribución térmico

(existente o a implementar), superficie a climatizar, número de usuarios con demanda de ACS, superficie disponible para la captación geotérmica, superficie disponible en sala técnica, accesibilidad para maquinaria, tipo de suelo a perforar, características térmicas del subsuelo, canalizaciones de instalaciones subterráneas próximas a la zona de perforación,…

A partir de: Proyecto técnico constructivo del edificio, visitas técnicas a la instalación,

consumos energéticos previos (en caso de instalaciones existentes), mapas hidrogeológicos de la zona y, en su caso, de la realización de un TRT,...

Para la realización de los Cálculos correspondientes a: Demandas térmicas de la instalación, potencia térmica de BCG a

instalar, tamaño y geometría del captador geotérmico, volúmenes de acumulación de inercia/ACS, solución técnica propuesta para la sala técnica, solución técnica propuesta para la integración del sistema de BCG en una instalación existente (si procede), estimación de ahorros,…

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Diseño

En caso de no ser necesario un TRT: El tamaño y geometría del campo de captación geotérmico será calculado a

partir de herramientas de cálculo simples (tablas y/ó nomogramas), pudiendo emplear, a su vez, programas de simulación informática que aporten una mayor fiabilidad al cálculo.

En caso de que sea necesario un TRT (*): Realización durante la fase de Diseño: Tamaño y geometría definitivos del

campo de captación geotérmico. Realización durante la fase de Ejecución: En la fase de Diseño se llevará a cabo

un cálculo preliminar del tamaño y geometría del campo de captación geotérmico que será revisado en el momento de la obtención de los resultados del TRT y de la simulación informática correspondiente.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Diseño

(*) Según la Norma VDI-4640, el cálculo del tamaño y geometría del campo de captación geotérmico se llevará a cabo a partir de la realización de un TRT y del empleo de programas de simulación informática cuando: la potencia térmica de BCG a instalar sea superior a 30 kW, para zonas con concentración de sistemas individuales, para instalaciones con un fcto. superior a 2.400 h/año ó para instalaciones con una gran demanda de refrigeración.

En general, los trabajos correspondientes a la ejecución y entrega de una instalación de BCG se corresponden con las siguientes fases:

1. Acopio de material y disponibilidad de maquinaria necesaria.2. Transporte de material y de maquinaria hasta la instalación.3. Señalización y replanteo de las perforaciones, zanjas horizontales y arquetas colectoras.4. Ejecución de las perforaciones.5. Entubado y relleno de las perforaciones.6. Realización del TRT y simulación.7. Realización de las zanjas de conexión horizontal.8. Realización de las conexiones horizontales.9. Realización de la sala de máquinas.10. Pruebas de estanqueidad, introducción de anticongelante y purgado del sistema geotérmico.11. Pruebas de funcionamiento y puesta en marcha.12. Reposición de instalaciones.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM

Aclaración: En función de los recursos disponibles (humanos y técnicos), varias de estas fases podrían llevarse a cabo en paralelo.

Provisión, con la suficiente antelación, de todos y cada uno de los componentes y materiales necesarios para la ejecución de la instalación de BCG sin que los plazos de finalización se vean afectados por retrasos en la entrega de estos componentes. Entre otros: BCG, tubos-sonda, tubos para conexión horizontal, colectores, material de relleno,

anticongelante, depósitos de acumulación, bombas circuladoras, intercambiadores de calor, vasos de expansión, material eléctrico, pequeño material,…

Se deberá prever también con la suficiente antelación la total disponibilidad de la maquinaria necesaria para ejecutar los trabajos correspondientes al campo de captación geotérmico y a la sala técnica. Esto es: Maquinaria de perforación, contenedores para la recogida de detritus/lodos,

desbobinadora, máquina de inyección de relleno, carretillas elevadoras y/ó grúas, miniexcavadora para ejecución de zanjas, máquina de TRT, máquina de electrosoldadura,…

En general, no será necesario que todos los componentes requeridos para la ejecución de la instalación de BCG completa se encuentren a pie de obra antes del inicio de la misma.

Eso sí, deberá existir y reflejarse en la planificación de los trabajos, las fechas de entrega de cada uno de los componentes necesarios y que esta fecha de entrega sea siempre anterior al inicio de la fase en la que sean necesarios.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Acopio de material y disponibilidad de maquinaria… (1/12)

Los componentes y materiales necesarios para la instalación de BCG deberán ser entregados por los proveedores correspondientes en la dirección de entrega facilitada (en general, la dirección de la propia instalación).

En cuanto al transporte de la maquinaria necesaria, la empresa contratada para la ejecución de los trabajos correspondientes al uso de esa maquinaria, deberá poner los medios necesarios para su transporte y puesta en obra en la dirección de la instalación.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Transporte de material y de maquinaria… (2/12)

Marcado de la ubicación de las perforaciones, en base al plano topográfico de ubicación de las mismas, sobre el terreno, además del replanteo de los tramos horizontales y de la ubicación de las arquetas colectoras.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Señalización y replanteo de las perforaciones, zanjas,… (3/12)

Ejecución de las perforaciones correspondientes a los sondeos que constituirán el campo de captación geotérmico, así como la recogida de los detritus/lodos generados durante la perforación y su transporte a zonas de vertido controlado.

Diámetro de las perforaciones: 130-150 mm.

Dependiendo del tipo de suelo a perforar, en general, se emplearán los siguientes tipos de perforación: Rotopercusión neumática con martillo en fondo:

Terrenos duros, competentes y estables (granitos, cuarcitas,…).

Rotación con circulación directa y lodos: Terrenos inestables, cuyas paredes se derrumben con facilidad y sea necesario el encamisado del sondeo (arenas, gravas, zonas descompuestas ó alteradas,…).

Antes del inicio de las perforaciones, deberán adoptarse las medidas necesarias de protección de fachadas e instalaciones próximas que puedan verse afectadas por ensuciamientos generados durante las labores de perforación.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Ejecución de las perforaciones (4/12)

A la finalización de la ejecución de cada sondeo, se deberá proceder a la introducción del tubo-sonda (lleno de agua), al relleno del espacio anular entre las paredes del sondeo y el tubo-sonda y a las pruebas de presión en el tubo-sonda de acuerdo, generalmente, a la Norma DIN 4279-7.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Entubado y relleno de las perforaciones (5/12)

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Realización del TRT y simulación (6/12)

La única forma de tener en cuenta las condiciones naturales de los terrenos atravesados y los efectos del flujo de agua subterránea, es mediante la realización de un TRT en el emplazamiento del sistema de captación geotérmico: Procedimiento experimental. Suecia, mediados de los años 90. Inyección de calor al terreno constante y sin interrupción (48 horas aprox.). Se realiza una vez efectuado el sondeo, instalada la sonda geotérmica y fraguado el

relleno. Los valores de los parámetros obtenidos se emplearán en la caracterización del

campo de sondas geotérmicas mediante un programa de simulación.

Resultados TRT:


El análisis de los datos registrados durante el ensayo se basa en un modelo teórico que no contempla interacciones entre sondeos y que asume que la potencia de inyección de calor es constante.

A partir de la información obtenida en el TRT, y mediante programas de simulación numérica por ordenador, se pueden estimar los parámetros del resto de sondeos y sus interacciones, al objeto de poder evaluar el número, profundidad y separación necesarias entre sondeos.


Distribución de las temperaturas enel campo de captación geotérmicotranscurridos 5 años

Fuente: INGEO

Ejecución, Pruebas y PeM: Realización del TRT y simulación (6/12)

Para garantizar el funcionamiento del sistema geotérmico es necesario un diseño que mantenga el fluido caloportador dentro de los rangos de temperatura de trabajo mínimos y máximos admisibles, que eviten el colapso térmico del subsuelo (en modo calefacción, temperaturas del fluido caloportador siempre superiores a -5ºC ) y la posible degradación del material del que se componen las sondas geotérmicas (en modo refrigeración y para PE, temperaturas del fluido caloportador siempre inferiores a 35ºC).


Una vez finalizada la fase de ejecución de los sondeos que constituirán el campo de captación geotérmico, será necesario realizar las conexiones horizontales entre ellos y las arquetas colectoras.

Estas conexiones horizontales se efectuarán a través de zanjas excavadas a una profundidad del orden de 1 m y con una anchura que dependerá del número de tuberías que transcurran por el tramo correspondiente.

Medios mecánicos y/ó manuales.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Realización de las zanjas de conexión horizontal (7/12)

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Realización de las conexiones horizontales (8/12)

Conexión de los tubos-sonda con los colectores de las arquetas colectoras y éstos, a su vez, con la sala de máquinas, mediante tramos de tubería que discurrirán por las zanjas realizadas a tal efecto.

Los tramos de tubo-sonda, tubería horizontal y colectores se conectarán mediante el empleo de manguitos de unión de diferente geometría y unidos mediante electrosoldadura.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Realización de la sala de máquinas (9/12)

Acondicionamiento de la sala de máquinas para la ubicación de los componentes necesarios para el sistema de BCG (incluyendo posible retirada de equipos existentes) e implementación de los componentes de dicho sistema (BCG, depósitos de acumulación, elementos de conexión al sistema geotérmico y al sistema de distribución,…).

Con el fin de optimizar tiempos en la ejecución del sistema de BCG, los trabajos correspondientes a la sala de máquinas debería llevarse a cabo de forma paralela a los trabajos exteriores correspondientes al sistema de captación geotérmico.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Pruebas de estanqueidad, introducción… (10/12)

Tras las pruebas de presión individuales de cada tubo-sonda (según Norma DIN 4279-7), tras las conexiones horizontales de los tubos-sonda a los colectores y de éstos a la BCG y con el circuito lleno de agua, se procederá a efectuar una prueba de presión del circuito completo para garantizar la correcta estanqueidad del sistema geotérmico y la ausencia de fugas. De forma que, en caso contrario se llevarán a cabo las medidas correctoras que correspondan.

Una vez garantizada la estanqueidad del circuito completo, se procederá a efectuar el llenado de la instalación con la proporción de anticongelante correspondiente (normalmente, propilenglicol al 20-30%) y a su presurizado.

En esta misma fase, y tras la realización de las pruebas de estanqueidad y del llenado con la proporción de anticongelante, se llevará a cabo un purgado adecuado del sistema que garantice la ausencia de aire en el circuito.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Pruebas de funcionamiento y PeM (11/12)

Debido a las conexiones del sistema de BCG con el sistema de distribución, será necesario también realizar un purgado de este circuito hidráulico y su correspondiente presurización.

Una vez dispuestos todos los circuitos hidráulicos del sistema, se procederá al arranque del sistema para la realización de las primeras pruebas de funcionamiento (comprobación de correcto funcionamiento de las bombas de circulación, comprobación de las conexiones eléctricas y de control, arranque de la bomba de calor y comprobación del correcto funcionamiento del sistema de distribución) y a su puesta en marcha final.

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Ejecución, Pruebas y PeM: Reposición de instalaciones (12/12)

Reparación de daños en suelos, pavimentos, jardines, fachadas y demás superficies y equipos afectados por el paso de la maquinaria y/ó por la realización de las perforaciones.

Reparación de daños en suelos debidos a la realización de zanjas. Reparación de daños producidos en la sala técnica y sus accesos (alicatados, pasamuros, marcos de

puertas,…).

El proyecto de una instalación de bomba de calor geotérmica deberá cerrarse con un contrato de mantenimiento de la instalación, bien con la propia empresa instaladora ó bien con otra empresa mantenedora, que ofrezca:

Un soporte de equipos hasta que esté funcionando la instalación correctamente y dentro de sus parámetros.

Una garantía de producto y disponibilidad de repuestos en stock. Revisiones periódicas de la instalación y actuaciones de mantenimiento preventivo y correctivo

(según RITE).

Fases de un proyecto de instalación de BCG3Mantenimiento

Aspectos económicos y medioambientales en instalaciones de BCG4En la actualidad…

En general, el coste total de la implementación de un sistema de BCG, teniendo en cuenta todas sus fases, se encuentra entre los siguientes intervalos: Residencial unifamiliar: 2.000 – 2.300 €/kWt BCG Residencial multifamiliar y terciario: 1.700 – 2.000 €/kWt BCG

Campo de captación geotérmico: 35 – 60% de los costes totales => Fase de diseño rigurosa que permita ajustar la potencia térmica de la BCG a instalar y, por tanto, ajustar el tamaño del campo de captación geotérmico sin sobredimensionamientos que conduzcan a sobrecostes.

En cuanto al contrato de mantenimiento: Residencial unifamiliar: 150 – 200 €/año Residencial multifamiliar y terciario: 500 – … €/año

4…además de…

En general, en cuanto a los ahorros en la factura energética, en función del sistema con el que se realice la comparativa, se tiene que: Caldera eléctrica: 60-70% Caldera de propano: 55-65% Caldera de gasóleo C: 50-60% Caldera de GN: 20-30% BC aire-agua: 35-50%

Lo que se traduce en unos períodos de retorno de la inversión, en general, de entre 5 y 10 años, dependiendo: Del sistema con el que se realice la comparativa. Del tipo de captación geotérmica. De la existencia de subvenciones u otros incentivos.


4En cuanto al impacto medioambiental…

En general, en cuanto a los ahorros de emisiones de CO2, en función del sistema con el que se realice la comparativa, se tiene que: Caldera eléctrica: 60-70% Caldera de propano: 50-60% Caldera de gasóleo C: 65-75% Caldera de GN: 45-55% BC aire-agua: 35-50%


Las aplicaciones geotérmicas para bomba de calor se empezaron a desarrollar hace unos 60 años en los EEUU (sistemas abiertos).

En Europa, Suecia ha sido el principal promotor y, en las últimas décadas, Alemania, Suiza y Austria han experimentado el mayor crecimiento.

Expansión de la tecnología hacia los países del sur de Europa.

Estado actual de la tecnología de BCG5Un poco de historia…

Europa

Evolución de las ventas de unidades de BCG entre 2005 y 2009 en Austria, Finlandia, Francia, Alemania, Italia, Noruega, Suecia, Suiza y UK (Fuente: «EHPA Outlook 2010»)

5 Estado actual de la tecnología de BCG

Austria

Distribución del mercado de bombas de calor en Austria (Fuente: «EHPA Outlook 2010»)


Alemania

Distribución del mercado de bombas de calor en Alemania en 2009 (Fuente: «EHPA Outlook 2010»)

Estado actual de la tecnología de BCG5

España

No hay datos exactos ni concluyentes, pero según Geoplat (Plataforma Tecnológica Española de Geotermia) la potencia térmica instalada en España en este segmento al término de 2009 podría superar los 15 MW. Teniendo en cuenta una potencia media instalada de 12 kW, resultarían un total de unas 1.250 instalaciones al término de 2009.

Se estima que este número de instalaciones en España es mayor y que en la actualidad podría estar sobre las 1.800 - 2.000 instalaciones.

Interés creciente por la tecnología (apoyo instituciones públicas (líneas de subvención de instalaciones), cursos de formación especializados (Programa Europeo GEOTRAINET, Curso BCG de Acluxega,…), organización de eventos (Jornadas Técnicas, Congresos,…), normativa española en elaboración (GT13-AENOR),…).

Climatología favorable en cuanto a que existe una gran parte del país con demanda de calefacción (extracción de calor del subsuelo) y de refrigeración (inyección de calor en el subsuelo) a lo largo del año.


Europa: Directiva 2009/28/CE Relativa al Fomento del Uso de Energía Procedente de Fuentes

Renovables.

España: Real Decreto 1027/2007 del 20 de Julio (RITE). Real Decreto 314/2006 del 17 de Marzo (CTE). Reglamento de Aparatos a Presión. Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. Normas UNE de aplicación.

CCAA: Las instalaciones de BCG se tramitan como instalación de calefacción/climatización en

Ayuntamientos (licencia de obra) y en las correspondientes Delegaciones Provinciales de Industria (alta de la instalación).

Si procede, trámites requeridos para obtención de permisos de ejecución de perforaciones. Galicia:

• Instrucción 6/2010, de 20 de septiembre, de la Dirección General de Industria, Energía y Minas, para que las instalaciones que emplean bombas de calor geotérmicas para la producción de calefacción, agua caliente sanitaria y/o refrigeración puedan ser consideradas como instalaciones que emplean fuentes de energía renovables.

Ámbito Legislativo: Reconocimiento como Energía Renovable5 Estado actual de la tecnología de BCG

Escuela Infantil Nigrán

Parámetros Técnicos: 1.000 m² superficie a calefactar. 75 kW BCG para calefacción y

precalentamiento de ACS. 10 x 100 m sondas en profundidad.

Ahorros: Factura energética de climatización: 66%

(vs. caldera de gasóleo C anterior). Emisiones de CO2: 78% (vs. caldera de

gasóleo C anterior).

6 Ejemplos de instalaciones

Escuela Infantil Baiona

Parámetros Técnicos: 800 m² superficie a calefactar. 52 kW BCG para calefacción y ACS. 5 x 120 m sondas en profundidad.

Ahorros: Factura energética de climatización: 68%

(vs. caldera de gasóleo C anterior). Emisiones de CO2: 79% (vs. caldera de

gasóleo C anterior).

6 Ejemplos de instalaciones

Ejemplos de instalaciones

Centro de Día y Escuela Infantil As Neves

Parámetros Técnicos: 800 m² superficie a climatizar (700 m2

correspondientes al Centro de Día y 100 m2 correspondientes a la Escuela Infantil).

40 kW BCG para calor y frío. 6 x 100 m sondas en profundidad.

Ahorros: Factura energética de climatización: 51% (vs.

bomba de calor aire-agua anterior). Emisiones de CO2: 51% (vs. bomba de calor

aire-agua anterior).

6

¡¡Muchas gracias!!

Área de Edificació[email protected]

Edificio CITEXVI – Local 1Fonte das Abelleiras, s/nCampus Universitario de Vigo36310 Vigo (Pontevedra)T_986 120 450 F_986 120 450www.energylab.es

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