Geotermica - seminario 08.04.2008.PDF

1BOMBAS DE CALOR GEOTRMICAS

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

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 =

4FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR

Foco caliente

Foco fro

Tc

Tf

Tcondensacin > Tc

Tevaporacin < Tf

Evaporador

CondensadorCompresor

Expansin

Gas

51

22s3

4

FUNDAMENTOS DE LA MAQUINA FRIGORFICA Y LA BOMBA DE CALOR

6Ecuaciones del evaporador Ecuaciones del condensador

Ecuaciones del compresor Ecuacin de la vlvula de expansin

Condiciones de contorno


( )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 =

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


8Clasificacin de equipos

Aire-Agua

Aire-Aire

Agua-Aire

Agua-Agua

BOMBAS DE CALOR BOMBAS DE CALOR GEOTERMICASGEOTERMICAS


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

10

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

11

TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUATecnologa de equipos reversibles

Ciclo de Calefaccin

12

TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DE CALOR AGUA-AGUATecnologa de equipos reversibles

Ciclo de Refrigeracin

13

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)

14


INTERCAMBIADORES DE CALOR

Intercambiadores de placas soldadas Compactos Acero Inoxidable

Intercambiador de placas(Fuente: CIAT GROUP)

15


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

16


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)

17

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


INTERCAMBIADORES DE CALOR. CONFIGURACIONES DE FLUJO

18


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

19


PRODUCCIN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)

Tamb

INTERCAMBIADORGEOTRMICO

SUELO RADIANTE

DEPOSITOACS

60C

Mediante intercambiador de gases calientes (desuperheater)

20

Tamb

INTERCAMBIADORGEOTRMICO

SUELO RADIANTE

DEPOSITOACS

60C


PRODUCCIN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)

Mediante vlvula de 3 vas

21


4 kW4 kW 35 kW35 kW 300 kW300 kW 1,1 MW1,1 MW

22

FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOS

CAPTACIN EN CIRCUITO ABIERTO VS INTERCAMBIADOR CERRADO

23

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)


24

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)

25


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.

26


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

27

FUNDAMENTOS DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ENTERRADOSTIPOS DE INTERCAMBIADORES.

INTEGRADOS EN LA EDIFICACIN

(Fuente: Instalaciones TONVA S.L.)

28

(Fuente: Stent. Cortesa EVE)


INTEGRADOS EN LA EDIFICACIN. PILOTES GEOTRMICOS

29

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

==

+=+=

30


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 =*

31


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


)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

33

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)

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

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


36

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


37


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

38


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) .


39


Comparacin entre los rendimientos medios estacionales (SPF) del sistema geotrmico calculados por simulacin y medidos experimentalmente


40

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. ()

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

42

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))

43

Gracias por su atencinMiguel Zamora GarcaResponsable de [email protected]

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