MARZO 2010 GEOTERMIA - Colegio Oficial de Ingenieros ... · - Aprovechamiento del calor...
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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
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 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
VálvulaFrío - Calor
VálvulaCalefaccion / ACS
VálvulaCalefaccion / Passive Cooling
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
VálvulaFrío - Calor
VálvulaCalefaccion / ACS
1
2
3
VálvulaCalefaccion / Passive Cooling
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
Circuito geotérmico
Esquema 2: Bomba de calor para calefacción con depósito intermedio.
Circuito geotérmico
Esquema 3: Bomba de calor para calefacción con depósito de ACS.
Circuito geotérmico
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