Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Página1 Si desea alguna consulta puede ponerse en contacto conmigo a través del correo: [email protected] Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Presentación del Trabajo Final de Carrera Elijo este trabajo ya que llamó mi atención que una energía renovable, tan provechosa en edificación, fuera algo que se utiliza en nuestro país de forma casi nula. Viendo las ventajas que este tipo de instalación puede otorgar tanto a la vivienda como al entorno quise profundizar en él y por ello lo expongo de la siguiente manera: El trabajo que presento a continuación consta de diez apartados que tratan de mostrar de la forma más detallada posible los beneficios de una edificación que obtenga su energía a través de una fuente infinita, la energía geotérmica. A lo largo del trabajo se muestran aspectos descriptivos que van desde los fenómenos naturales que esta energía origina en la tierra, explicación de los distintos procesos para la obtención de calor, breve reseña sobre la historia del aprovechamiento del calor presente en el subsuelo. Pasando por cuestiones en las que me centro como por qué elijo este tema, por qué es importante tener en cuenta las energías renovables o por qué un arquitecto técnico debe inclinares hacia una edificación eficiente. Y llegando a aspectos más relevantes como son, dentro de los conocimientos adquiridos durante mis años de carrera, la instalación de viviendas que gozan de dicha energía, teniendo en cuenta los distintos problemas con los que nos podemos encontrar en la dirección y ejecución de la obra así como las diferentes variantes que podemos elegir para la conducción del calor del subsuelo a la vivienda. Página2 Tratando a lo largo de este proyecto de demostrar que esta energía casi desconocida es un recurso asequible, rentable y ecológico. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera PRESENTACIÓN ÍNDICE 2 Historia de la energía geotérmica………………………………………...………13 3 Definición de energía geotérmica………………………………………...………17 3.1 Definición de e. geotérmica………………………………………..……...………18 3.2 Aplicaciones y tipos de energía geotérmica……..………………………………18 3.3 Los recursos geotérmicos…………………………………………………………20 3.3.1. Recursos de muy baja temperatura……………………………..……………20 3.3.2. Instalaciones de muy baja temperatura………………...………………..22 3.3.2.1. Colectores horizontales enterrados………….……………22 3.3.2.2. Sondas geotérmicas………………………………………...23 3.3.2.3. Sondeos de captación de agua someros…………………27 3.3.2.4. Cimientos geotérmicos……………………………..………28 4 La energía geotérmica en España……………..…………………………………31 4.1. Energía geotérmica de muy baja temperatura………………………………32 6. Elementos de la instalación……………………………………………….……….…35 5.1. Bomba de calor…………………………………………………………………...…36 5.1.1. ¿Cómo elegir una bomba de calor geotérmica? ……………………..…40 5.2. Intercambiadores….………………………………………………………….…..…41 5.2.1. Sondas geotérmicas………………………………………………….…..…41 5.2.2. Intercambiador horizontales geotérmicos………………………….….…44 5.2.3. Tubos intercambiadores (pilotes energéticos)……………………………46 5.3. Agua gliconada………………………………………………………………..….…48 5.3.1. ¿Qué es el glicol? …………………………………………………..………48 5.3.2. ¿Cómo se fabrica? ……………………………………………………….…48 5.3.3. ¿Por qué es necesario en glicol (anticongelante)? ……………..………48 5.3.4. ¿Cuál es debe ser la proporción agua-glicol?……………………………48 5.4. Sistemas de calefacción/climatización……………………………………………49 7. Dirección y ejecución de la unidad de obra……………………………………….52 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página3 1. Introducción……………………………………………………………………………….1 1.1. El calor de la tierra……………………………………………………………………1 1.1.1 El flujo de calor terrestre……………………………………………………….2 1.1.2 La propagación de calor en la tierra………………………………………….3 1.1.3 Manifestaciones geotérmicas……………………………………………….…4 1.2. El consumo energético…………………………………………………………….…7 1.3. ¿Por qué un arquitecto técnico se decide a emprender un proyecto sobre energía geotérmica? …………………………………………………………...……9 1.3.1. Energía renovable……………………………….……………………………9 1.3.2. Energía limpia…………………………………………………………………9 1.3.3. Energía económica…………………………………..…………………...…10 1.3.4. Energía eficiente…………………………………………………….....……10 1.3.5. Energía continua……………………………………………………….……11 1.3.6. Energía para todo el mundo……………………..…………………………12 1.3.7. Energía local…………………………………………………………...……12 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.1. Manual de instalación y dirección para el arquitecto técnico………………..…52 6.1.1. Justificación del apartado…………………………………………….…..…52 6.1.2. Trabajos previos……………………………………………………..…….…53 6.1.3. Análisis del proyecto…………………………………………………………53 6.1.3.1. Edificaciones existentes……………………………………………..54 a) Con terreno suficiente……………………………………………...…54 b) Sin terreno suficiente……………………………………………….…56 6.1.3.2. Edificaciones nuevas……………………………………………..….59 a) Con terreno suficiente…………………………………………….…..59 b) Sin terreno suficiente……………………………………………..…..61 6.1.3.3. Componentes para instalaciones…………………………………..62 a) Colector de distribución …………………………………………..…62 b) Dispositivos de corte y equilibrado………………………………….63 c) Colector porta instrumentos…………………………………………64 6.2. Listas de chequeo para la ayuda en la dirección de la ejecución……………65 6.2.1. Listas de chequeo generales…………….……………………...…………65 6.2.2. Lista de chequeo para intercambiadores horizontales……………….….67 6.2.3. Lista de chequeo para sondas geotérmicas…………..…..………..……68 6.2.4. Lista de chequeo para pilotes energéticos………………....…………….69 6.3. Mantenimiento……………….............……………………………...……..………69 8. Propuesta de instalación de energía geotérmica…………………………………74 8.1. Memoria descriptiva de la vivienda………….…………………………….………74 8.2. Memoria constructiva de la vivienda………………………………………………77 8.3. Calculo de demanda energética………………………………………..…………81 8.3.1. Climatización…………………………………………………………………81 a) Punto de confort………………….……………………………………81 b) Necesidades de refrigeración…….……………………….…………82 c) Necesidades de calefacción…………………………………………85 8.4. Propuesta de instalación de energía geotérmica.………………………….……87 8.4.1. Sistema de captación ………………………………………………………87 8.4.2. Bomba de calor geotérmica……….…………………………………..……90 8.5. Seguridad y salud…………………………..……………………………………….94 8.5.1. Objeto de estudio…………….……………………………...…….…………94 8.5.2. Características de la propuesta…………………………...…….………….94 8.5.3. Características de la zona de trabajo…………………………....…………94 8.5.4. Centros de asistencia más próximos…………………...……....…………94 8.5.5. Trabajos previos y normas en caso de emergencia, planificación de los trabajos….……………………………………………………………..………..94 8.5.6. Normas en caso de accidente……………………….……………………..95 8.5.7. Seguridad en movimiento de tierras y perforaciones……………………95 8.5.8. Esquemas de seguridad……………………………………………………96 8.6. Cumplimentado de hojas de chequeo…………………………………………….97 8.7. Esquema de instalación…………………………………………………………….99 8.7.1. Presupuesto de la instalación geotérmica………………………………100 a) Ahorro energético respeto al sistema convencional… ………….102 b) Calefacción………………………………………………..……..…..102 c) Refrigeración…………………………………………………………104 d) Totales…………………………………………………………......…104 8.7.2. Análisis económico de la instalación……………………………………105 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página4 7. Control de recepción de los productos y control de ejecución de la obra….71 7.1. Control de la ejecución de la unidad de obra…………...……………………..72 7.2. Control de ejecución de la unidad de obra termina………………………...…73 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.7.3. Ahorro de emisiones de CO2……………………………………….……106 8.7.4. Conclusiones del estudio económico…………………………………...108 9. Reglamentación………………………………………………………………………110 10. Conclusión……………………………….…..…………………………………………111 11. Bibliografía……………….……………………………………………………..………112 ANEXOS I. Documentación grafica de la vivienda……………………………………...……II Relación de planos………………………...………………………..………………..III Plano 1: Situación, emplazamiento y parcela………………………………….….IV Plano 2: Planta sótano. Instalación geotérmica. Distribución de conductos y bomba de calor, y localización de pozos………………………………………...…V Plano 3: Planta baja. Instalación geotérmica. Distribución de conductos y bomba de calor, y localización de pozos…………………………………………...V Plano 4: Planta primera. Instalación geotérmica. Distribución de conductos y bomba de calor, y localización de pozos. ………………………………………....VI Plano 5: Sección. Instalación geotérmica. Distribución de conductos y bomba de calor, y localización de pozos. ………………………………………………….VI Plano 6: Alzado norte. ……………………………..……………………………….VII Plano 7: Alzado sur. ………………………………………………………….…….VII Plano 8: Alzado este. …………………………………………………………...….VIII Plano 9: Alzado oeste. ……………………………………………………………..VIII II. a) b) c) Cálculos de cargas térmicas……………………………………......……………IX Necesidades de refrigeración. ………………………………..……………………XI Necesidades de calefacción. ……………………………………………….……XVII Tablas resumen de refrigeración y calefacción..………………………………XXIII III. Cálculos económicos……………………….…………………………………XXIV IV. Fundamentos teóricos de la bomba geotérmica…………………….……XXVII Bomba de calor geotérmica……………………………..………………XVIII o Elementos………………………...………………………………XVIII o Funcionamiento……..……………………………………………XXX o Fluido refrigerante………………………………………………XXXII V. Esquemas de instalación geotérmicas….……………………….......……XXXIV Página5 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 1. Introducción 1.1. El calor de la tierra Hace unos 4.500 millones de años, la Tierra era una inmensa bola ardiente constituida esencialmente por gases y polvo. Cuando esa nebulosa se enfrió y se consolidó, hace unos 3.800 millones de años, se formó una corteza dura que atrapó en su interior una ingente cantidad de calor, que todavía perdura hoy en día haciendo del planeta una enorme caldera natural Todos los procesos geodinámicas que suceden en la Tierra, desde los procesos más superficiales, los volcanes, las intrusiones, los terremotos, la formación de cordilleras y el metamorfismo, son controlados por la transferencia y generación de calor en su interior. El calor es también el motor de la tectónica de placas, que involucra a la litosfera y a la astenosfera, y de otros procesos a mayor profundidad, como los movimientos de convección entre el manto y el núcleo externo. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página6 El planeta Tierra no es un cuerpo inerte y frío perdido en el espacio y arrastrado pasivamente por la fuerza gravitacional del Sol. Desde el punto de vista energético constituye un sistema activo que recibe y comunica energía al medio que le rodea, y el calor es una parte de esa energía. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Hace más de 250 años que se pudo constatar el hecho de que en las minas, la temperatura aumenta con la profundidad a un ritmo de, aproximadamente, 1 ºC cada 30 m, y la existencia, en determinadas regiones del planeta, de volcanes con erupción periódica de rocas en estado de fusión, de fumarolas con vapores y gases calientes que pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1.000 ºC, de fuentes termales y otras manifestaciones térmicas atestiguan la existencia de un calor que proviene del interior de la Tierra. 4.1.1 El flujo de calor terrestre La energía térmica que se genera en el interior del planeta remonta lentamente hasta la superficie, pues las rocas de la corteza terrestre son muy malas conductoras del calor. El flujo de calor se calcula multiplicando el gradiente geotérmico por la conductividad térmica de las rocas. El gradiente geotérmico es la variación de temperatura en función de la profundidad, expresado en ºC/km. La conductividad térmica es una propiedad característica de cada material que indica su capacidad para conducir el calor. Se expresa en W/m· ºC. El producto de estas dos cantidades proporciona el flujo de energía, en forma de calor, por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Se expresa en mW/m2. El gradiente geotérmico se mide en sondeos mineros o petrolíferos con la ayuda de sondas térmicas. Tiene una valor medio para todo el planeta de 3,3 ºC cada 100 m. Figura 1: Estructura interna de la tierra. Fuente: www.geothermie-perspectives.fr Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página7 La conductividad térmica se mide en laboratorio sobre muestras de testigos de sondeos representativas de las formaciones geológicas atravesadas. El flujo de calor terrestre es del orden de 60 mW/m2. En determinadas regiones con presencia de anomalías geotérmicas, se pueden medir valores de varias centenas de mW/m2, y en áreas de elevado potencial geotérmico puede alcanzar varios millares. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 4.1.2 La propagación de calor en la tierra Los mecanismos por los que se propaga el calor en cualquier medio son: conducción, convección y radiación. Figura 2: grafico con los mecanismos de propagación del calor. Fuente: www.meteobasica.blogspot.com Conducción es la transferencia de calor a través de un medio por interacción entre partículas adyacentes. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases, aunque es característica de los sólidos, puesto que en gases y líquidos siempre se producirá convección simultáneamente. Si, por ejemplo, se pone una sartén al fuego, las partículas del fondo en contacto con el fuego vibran con mayor energía. La energía se va transmitiendo a las partículas vecinas más lentas y éstas, a su vez, la transmiten a las siguientes más alejadas del extremo caliente. Las partículas de otro medio, un alimento que se va a cocinar en la sartén, vibran empezando por la parte inferior, y la energía térmica se transmite hacia la parte superior del mismo. Radiación es la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas, como resultado de cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. Radiación térmica es la radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. Todos los materiales a temperatura superior al 0 absoluto emiten radiación térmica. Los más calientes radian más que los más fríos. Cuando una radiación electromagnética choca con un material, sus moléculas se mueven más deprisa, calentando el material. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página8 Convección es el modo en que se transfiere la energía térmica entre una superficie sólida y un fluido adyacente (líquido o gas). Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido provocado por las diferencias de densidad del mismo. Las partículas más calientes del fluido y, por tanto, menos densas, ascienden, desplazando a las más frías, que se hunden por gravedad, dado que son más densas, y éstas, posteriormente, al calentarse, son empujadas otra vez hacia arriba. Cuanto más rápido es el movimiento del fluido, mayor es la transferencia de calor por convección. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 4.1.3 Manifestaciones geotérmicas Geotermia es una palabra de origen griego, deriva de “geos” que quiere decir tierra, y de “thermos” que significa calor: el calor de la Tierra. Se emplea indistintamente para designar tanto a la ciencia que estudia los fenómenos térmicos internos del planeta como al conjunto de procesos industriales que intentan explotar ese calor para producir energía eléctrica y/o calor útil al ser humano. Determinadas zonas de la litosfera están sometidas a tensiones que generan gran cantidad de calor y presión, produciéndose fracturas y fallas por las cuales pueden ascender desde el manto, magmas, masas de rocas incandescentes, en estado de fusión total o parcial, con pequeñas cantidades de materias volátiles como agua, anhídrido carbónico, ácidos sulfúrico y clorhídrico, etc. Si las condiciones tectónicas son favorables, los magmas, por su movilidad, pueden ejercer un empuje hacia arriba y romper la costra superficial de la Tierra, formando volcanes por los que se desparraman lavas, cenizas y gases. Se estima que, para una determinada cantidad de magma arrojado por un volcán, un volumen diez veces mayor permanece debajo de la superficie, formando cámaras magmáticas que calientan las rocas circundantes. Si esas rocas son permeables o están fracturadas, y existe circulación de agua subterránea, esta última capta el calor de las rocas, pudiendo ascender hasta la superficie a través de grietas o fallas, dando lugar a la formación de aguas termales, géiseres, fumarolas y volcanes de fango. Estos fenómenos tienen características singulares que los diferencian de los afloramientos de aguas comunes. Por estar siempre asociados a las fases póstumas de los procesos magmáticos, además de la alta temperatura que presentan, están acompañados de gases, principalmente carbónicos o sulfurosos, produciendo estos últimos un olor fétido sumamente desagradable. Juntamente con los volcanes, constituyen las manifestaciones superficiales visibles del calor de la Tierra, y son los que tradicionalmente han atraído la investigación y el estudio de los recursos de energía geotérmica. Volcán: Abertura en la corteza terrestre por la cual sale lava, vapor y/o cenizas con fuerza, o se derraman continuamente o a intervalos. Aguas termales: Manantial natural del que brota agua más caliente que la temperatura del cuerpo humano. Puede congregarse en lagunas o fluir por arroyos. Géiser: Surtidor intermitente de agua líquida mezclada con vapor de agua, a una temperatura entre 70 y 100 ºC, con gran cantidad de sales disueltas y en Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página9 Figura 3: Erupción del volcán Tungurahua, en Ecuador, 2011. Fuente: www.wikipedia.org Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera suspensión.Los minerales disueltos en el agua quedan depositados alrededor del géiser a modo de escoria o de sílice amorfa (geiserita).Muchos géiseres en el mundo se han extinguido o vuelto inactivos por causas naturales o por la instalación en sus inmediaciones de plantas de energía geotérmicas, como, por ejemplo, en Wairakei (Nueva Zelanda) y en Nevada (EE.UU.). La mayor concentración de géiseres se encuentra en el Parque Nacional de Yellowstone (Wyoming, EE.UU.). Figura 4: Geiser Clepsydra, en el Parque Nacional de Yellowstone. Fuente: www.wikipedia.org Fumarolas: Nombre genérico dado a la emisión de gases y vapores de agua a temperaturas muy elevadas, en ocasiones pueden alcanzar 500 ºC. Se las denomina, en función de su composición química, carbónica, sulfurosa, clorhídrica, etc. Las solfataras, además de vapor de agua a 90 – 300 ºC, contienen sulfuro de hidrógeno que, en contacto con el aire, se oxida y deposita azufre alrededor de la abertura. Las mofetas son fumarolas más frías, 90 ºC, que desprenden grandes cantidades de anhídrido carbónico. Página10 Figura 5: Fumarolas de Furnas, Portugal. Fuente: www.wikipedia.org Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Volcanes de fango (mud pots): Erupciones de gases y barro que aparecen donde no hay bastante agua para sostener un géiser o una fuente termal. El vapor y los gases burbujean a través del barro formado por la interacción de los gases con rocas sedimentarias. En Italia se llaman salsas. Son más frecuentes en yacimientos petrolíferos relativamente poco profundos, donde los gases emanados elevan arcillas sumamente hidratadas, llegando a formar charcas o lagunas. Página11 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 1.2. El consumo energético La sociedad actual vive acostumbrada a un nivel de vida que va más allá de la simple iluminación. En plena era digital y con continuos avances, el consumo energético es cada vez mayor. Tal aumento conlleva una reflexión sobre el agotamiento de las energías utilizadas. En España el gasto energético se reparte de la siguiente forma: 50 40 30 20 10 0 48,8 23,8 7,9 10,5 1,7 2,4 3,9 0,2 0,8 0,01 0,5 CONSUMO DE ENERGIA PRIMARIA EN ESPAÑA (EN %) Figura 6: tabla de consumo de energía primaria en España. Datos obtenidos del instituto nacional de estadística, www.ine.es, y grafico creado por el autor del TFC. Así pues el consumo energético por sectores seria: CONSUMO ENERGETICO EN ESPAÑA 11% 4% TRANSPORTE 12% 50% HOGAR INDUSTRIA 23% SERVICIOS AGRICULTURA Y OTROS Página12 Figura 7: Tabla de consumo de energía por sectores en España. Datos obtenidos del instituto nacional de estadística, www.ine.es, y grafico creado por el autor del TFC. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Atendiendo al consumo energético en el hogar: CONSUMO ENERGETICO EN EL HOGAR 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 DATOS EN % CALEFACCION 46 AGUA CALIENTE SANITARIA 20 ELECTRODOMESTICOS 17 Figura 8: Tabla de consumo de energía en el hogar. Datos obtenidos del instituto nacional de estadística, www.ine.es, y grafico creado por el autor del TFC. De estos datos, y como ya es sabido, el gasto más abundante de energías son las llamada finitas o no renovables. El consumo indiscriminado de este tipo de energías hace surgir el concepto de crisis energética, ya que se tratan de elementos no renovables a corto plazo. Son las energías limpias y renovables, casi infinitas, por las que debemos apostar. Existen muchos tipos de energías renovables, como la eólica, solar, hidráulica… las cuales aportan energías prácticamente no contaminantes y con el tiempo con menor coste económico. Página13 Otro tipo de obtención de energía renovable es la energía geotérmica. Este sistema de energía se basa en el aprovechamiento del calor del subsuelo para climatizar y obtener agua caliente sanitaria de forma ecológica. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 1.3. ¿Por qué un arquitecto técnico se decide a emprender un proyecto sobre energía geotérmica? La respuesta es sencilla, en primer lugar el Código Técnico de la Edificación (CTE) en su apartado DB AHORRO DE ENERGÍA, establece en su artículo 15 unas exigencias básicas: 1. El objetivo del requisito básico “Ahorro de energía” consiste en conseguir un uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo y conseguir asimismo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable, como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, uso y mantenimiento. 2. Para satisfacer este objetivo, los edificios se proyectarán, construirán, utilizarán y mantendrán de forma que se cumplan las exigencias básicas que se establecen en los apartados siguientes. 1.3.1. Energía renovable A la escala del planeta, la energía geotérmica es el recurso energético más grande que existe. Aunque la Tierra se enfría, pues evacua más calor que el que produce, el ritmo de ese enfriamiento es de unos 130 ºC cada mil millones de años. A causa de la lentitud del mecanismo de difusión térmica, la Tierra está perdiendo hoy en superficie el calor que ella misma produjo en el pasado. El calor de la Tierra es ilimitado a la escala humana y estará disponible muchos años en sus yacimientos para las generaciones futuras, siempre que la explotación de los recursos geotérmicos se haga de forma racional. Todo lo contrario que las energías fósiles que se agotan a medida que se extraen. Por lo que respecta a la vida de las explotaciones, entre 20 y 40 años, hay que tener en cuenta que el calor está siempre contenido en la roca o en el terreno. Si el medio de extracción es agua subterránea, ésta se renueva de forma natural por recarga con aguas superficiales o por inyección artificial en el subsuelo. Si se emplean sondas geotérmicas con circulación de un fluido en circuito cerrado, el subsuelo se enfría algunos grados respecto a la temperatura inicial. Si la sonda geotérmica está correctamente dimensionada, el flujo de calor compensa parcialmente esa disminución de temperatura durante el periodo de reposo estival, o al invertir el sentido de funcionamiento y transportar calor desde la vivienda unifamiliar o edificio que se quiere refrigerar, hasta el subsuelo. 1.3.2. Energía limpia Las bombas de calor geotérmicas utilizan sistemas de refrigeración sellados en fábrica, con menos cantidad de refrigerante que los sistemas de aire acondicionados, que rara vez o nunca son recargados, por lo que no contribuyen a la destrucción de la Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página14 Ninguna instalación que emplee energía geotérmica precisa quemar combustibles, por consiguiente, no contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero. Las instalaciones que emplean bombas de calor geotérmicas para calefacción y refrigeración sólo consumen energía eléctrica para el funcionamiento de los compresores eléctricos, de las bombas de circulación y de los ventiladores del interior del edificio. Las emisiones equivalentes de gases son únicamente las correspondientes a la producción en origen de esa energía, muy inferiores a las de los sistemas tradicionales, pues el consumo de electricidad se reduce notablemente. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera capa de ozono. En el resto de aplicaciones directas del calor y en la producción de energía eléctrica, las emisiones pueden llegar a ser casi nulas, reinyectando las aguas geotermales a sus acuíferos. Los fluidos geotermales que se emplean en las plantas de producción de energía eléctrica pueden contener gases disueltos, sales, en ocasiones en concentraciones elevadas, arenas y otros sólidos en suspensión. De forma general, se puede decir que las centrales emiten a la atmósfera pequeñas cantidades de CO2, muy pequeñas cantidades de SO2, y no emiten óxidos de nitrógeno. Las plantas que trabajan con vapor seco y con vapor “flash” emiten a la atmósfera vapor de agua y gases. Las plantas de ciclo binario prácticamente no emiten gases, ya que funcionan utilizando un fluido secundario de bajo punto de ebullición, que es evaporado en un intercambiador de calor antes de hacer girar la turbina. La cantidad media de CO2 emitida por las centrales geotermo eléctricas en el mundo es de 55 g/kWh, mientras que una central de gas natural emite 10 veces más. Las sales y los minerales disueltos son reinyectados, con el agua sobrante del proceso, en sus acuíferos. Las arenas y sólidos en suspensión son filtrados, secados y depositados como lodos en lugares apropiados. Algunos de esos sólidos, como por ejemplo cinc, sílice y azufre, pueden recuperarse como subproductos y comercializarse. Las instalaciones para redes de calefacción local y las que trabajan con bombas de calor no producen impacto visual, son invisibles. Sólo una tapadera metálica o una pequeña estructura superficial señalan la ubicación de los sondeos en el subsuelo. Las instalaciones para calefacción se encuentran en los sótanos de los edificios a los que abastecen. Las centrales geotérmicas eléctricas modernas son muy compactas, ocupan entre 0,5 y 3,5 ha/MW frente a 2,2–4,5 ha/MW de una central nuclear, y alrededor de 8,5 ha/MW de una central de carbón. Al no necesitar transportar, almacenar ni quemar combustibles, pueden ser integradas fácilmente en el paisaje. 1.3.3. Energía económica Si la calefacción es la necesidad principal de la vivienda, la opción geotérmica se ve favorecida por el menor consumo de electricidad, y por no consumir gas natural o fuel-oil, más caros. Si las necesidades que prevalecen son las de refrigeración, el consumo de energía eléctrica es muy inferior al de los climatizadores clásicos, que son menos eficaces. Si se necesita calefacción y refrigeración, la opción geotérmica tendrá un menor coste de energía eléctrica, pues al ser los equipos de menor potencia, el consumo en las horas pico de demanda, cuando las tarifas son más elevadas, es menor. Además, el periodo de retorno de la inversión se acorta al estar funcionando más horas al año. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página15 Un sistema con bomba de calor geotérmica para una casa individual supone un coste de inversión elevado, por regla general del doble de una instalación clásica de calefacción y refrigeración. Sin embargo, los costes de explotación son mucho más bajos que los de estos otros equipos, pues los costes de mantenimiento son generalmente muy reducidos y, fundamentalmente, porque su rendimiento energético elevado reduce el consumo de la energía de pago. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera El acceso a un recurso geotérmico de baja, media o alta temperatura necesita de una inversión inicial elevada. Particularmente caras resultan las fases de exploración en terrenos desconocidos, y la realización de uno o varios sondeos de investigación. La inversión disminuye a medida que se reduce el área a investigar y se lleva a cabo el desarrollo del yacimiento. Nada que sea ajeno a los sectores minero y petrolero, que no por ello dejan de investigar yacimientos minerales y de hidrocarburos en cualquier parte del mundo con posibilidades de explotación de recursos. Siendo la inversión inicial elevada, el coste de explotación es bajo y cada vez será más competitivo con la explotación de las energías fósiles, donde los precios irán creciendo con el agotamiento de los recursos y las restricciones ambientales. 1.3.4. Energía eficiente Las instalaciones para calefacción y climatización de edificios se diseñan, generalmente, para condiciones extremas. Gracias a la energía geotérmica, por la mayor estabilidad de las temperaturas del subsuelo, se podrán instalar bombas de calor de menor capacidad que si tuviesen que utilizar la temperatura ambiente exterior. En climas con variaciones de temperatura importantes, las bombas de calor geotérmicas tienen mejores prestaciones que las bombas de calor que utilizan aire exterior, cuyo rendimiento baja considerablemente con las temperaturas extremas. Un sistema geotérmico utiliza la electricidad para activar el compresor de la bomba de calor, los ventiladores del interior del edificio, las bombas de circulación de los circuitos de intercambio con el subsuelo y en el edificio, y los sistemas de control. En general, se produce entre 2 y 4 veces más energía térmica o frigorífica que la energía eléctrica que se consume. Eso significa que estos sistemas tienen rendimientos de 200 a 400%, muy superiores a las resistencias eléctricas, donde el rendimiento máximo es del 100%. También son superiores a los sistemas clásicos de climatización. Una instalación que utilice energía geotérmica, comparada con instalaciones clásicas de bombas de calor o de climatización, permite ahorros de energía de 30 a 70% en calefacción y de 20 a 50% en climatización. Un sistema geotérmico también compite ventajosamente con otros sistemas de calefacción, incluso con los sistemas con mejores prestaciones de gas natural. La tecnología que emplean las bombas de calor geotérmicas ha sido calificada por la Agencia de Protección del Medio Ambiente de Estados Unidos como la más eficiente para calefacción y refrigeración existente hoy en día. El Departamento de Energía de EE.UU. considera que la bomba de calor geotérmica es ideal para aplicaciones en edificios residenciales, comerciales y gubernamentales. 1.3.5. Energía continua La energía geotérmica depende de las características intrínsecas del subsuelo (gradiente geotérmico, permeabilidad de las rocas, etc.), constantes para cada caso concreto, lo cual asegura una gran regularidad en su utilización. Los coeficientes de Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página16 Contrariamente a la energía solar o a la eólica, la energía geotérmica no depende del clima, de la radiación solar ni del viento. Está disponible 24 horas al día, 365 días al año. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera disponibilidad de las centrales geotérmicas eléctricas son del 90% de media, y en redes de calefacción se puede alcanzar el 100%. 1.3.6. Energía para todo el mundo A diferencia de las energías fósiles, las más utilizadas hoy en día, los recursos geotérmicos no están localizados en lugares concretos, frecuentemente desérticos o en el fondo de los mares. El calor del subsuelo está presente en todos los continentes a disposición de la Humanidad. Dependiendo de las formaciones geológicas o de la composición de las rocas, y del gradiente geotérmico, la energía geotérmica será de mayor o menor temperatura, y más o menos fácil de extraer, pero las técnicas existentes hoy en día permiten un desarrollo planetario de la energía geotérmica. 1.3.7. Energía local Por su propia naturaleza, la energía geotérmica es una energía local, para consumir sobre el propio terreno. Es la respuesta más próxima para satisfacer las necesidades energéticas de calefacción y refrigeración. Reduce la dependencia de importaciones energéticas y asegura la regularidad en el abastecimiento. Disminuye las pérdidas energéticas derivadas del transporte de electricidad y la contaminación que provoca el transporte de combustibles por carretera. La relación entre el calor del subsuelo y su aprovechamiento en superficie es de doble sentido, de forma que es posible adaptar los recursos geotérmicos a las necesidades y las necesidades a los recursos geotérmicos. La energía geotérmica ofrece oportunidades económicas para la implantación de nuevas industrias y favorece el desarrollo local. RENOVABLE LIMPIA ECONOMICA CONTINUA LOCAL GLOBAL Página17 EFICIENTE Figura 9: El porqué de la energía geotérmica. Fuente: Autor del TFC. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 2. Historia de la energía geotérmica Las regiones volcánicas han sido siempre polos de atracción para los seres humanos, por el hecho de la existencia de fumarolas y de fuentes termales que podían utilizar para calentarse, cocer alimentos o simplemente bañarse. Los restos arqueológicos más antiguos relacionados con la energía geotérmica han sido encontrados en Niisato, en Japón, y son objetos tallados en piedra volcánica que datan de la Tercera Glaciación, hace entre 15.000 y 20.000 años. Los manantiales termales eran zonas neutrales donde los miembros de las naciones guerreras debían bañarse juntos en paz. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página18 Hace más de 10.000 años, los Paleo-Indios de América del Norte, ya usaban las aguas termales para cocinar alimentos y sus minerales con propósitos medicinales. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Las primeras civilizaciones, unos 3.500 años antes de Cristo, apreciaban la práctica de los baños termales y la utilización de barros termominerales, pero fueron griegos y, posteriormente, romanos los que dejaron numerosos ejemplos de la aplicación de la energía geotérmica en la calefacción urbana y en las tradicionales termas y baños públicos, que se convirtieron en gigantescos centros de ocio, salud y negocio. Las termas de Caracola, en Roma, tenían un aforo para 1.600 personas. Los romanos difundieron su uso por todo el imperio, extendiéndose con el paso del tiempo a Japón, América y Europa. La extracción de azufre, travertinos, caolines, limonitas y óxidos de hierro también ha estado ligada tradicionalmente a las fuentes termales. En 1330 ya existía una red de distribución de agua caliente en algunas casas en Chaudes-Aigues, Francia, por cuyo mantenimiento los usuarios tenían que pagar una tasa. Servía, al mismo, tiempo para lavar lana y pieles. Por la misma época, en Italia, en la región de Volterra, en Toscana, pequeñas lagunas con agua caliente salobre de las que se escapaba vapor a más de 100 ºC, eran explotadas para extraer ácido sulfúrico concentrado y alumbre. Durante mucho tiempo, el hombre se conformó con utilizar el calor que afloraba de forma natural en la superficie del planeta. A partir del siglo XIX, los avances técnicos y el mejor conocimiento del subsuelo permitieron buscar cada vez a mayor profundidad, y explotar cada vez mejor el calor de la Tierra. El descubrimiento en 1818 de sales de boro en Larderello, Toscana (Italia), marcó el inicio de la utilización industrial de los recursos geotérmicos. En 1827 el fundador de esta industria, el francés Francois Larderel, desarrolló un sistema para utilizar el calor de los fluidos en el proceso de evaporación, en lugar de quemar madera de los bosques cercanos, que se encontraban en rápida deforestación. En Francia, en 1833, en el barrio de Grenelle, en París, se inició el primer sondeo profundo, un pozo artesiano de 548 m de profundidad, que tardó ocho años en construirse y captó agua potable a 30 ºC en el acuífero de arenas albienses de la Cuenca de París. En Estados Unidos la primera red local de calefacción urbana entró en funcionamiento en 1892 en Boise, Idaho. En el siglo XX el empleo de la energía geotérmica se incrementa, arrastrado por las necesidades cada vez más elevadas de energía para abastecer a la civilización moderna. Entre 1910 y 1940, el vapor de baja presión fue utilizado para calefacción de invernaderos, y de edificios industriales y residenciales. A finales de la Segunda Guerra Mundial, las tropas alemanas, durante su retirada, destruyeron por completo la central, los pozos y las tuberías. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página19 La industria del ácido bórico en Larderello dio paso, en 1904, a la generación de electricidad a partir de vapor geotérmico, entrando en funcionamiento en 1913 una central de 250 kW. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 10: Primera instalación de generación de energía eléctrica de origen geotérmico en Larderello (Italia), en 1904. Fuente: Geothermal Education Office 2000. En 1919 se perforaron los primeros pozos en Beppu, Japón, y en 1924 se instaló una planta experimental de 1 Kw para producir energía eléctrica. En 1921, en Estados Unidos, en la zona de The Geysers, en California, se perforaron dos pozos y se instaló una pequeña máquina de vapor que, conectada a una dinamo, producía electricidad para un pequeño establecimiento termal. La primera red moderna de calefacción urbana alimentada por energía geotérmica se instaló en Reikjavik, Islandia, en 1930. Desde entonces, redes de calefacción que utilizan la energía geotérmica se encuentran en funcionamiento en Francia, Italia, Hungría, Rumanía, Rusia, Turquía, Georgia, China, Estado Unidos y la propia Islandia, donde, hoy en día, el 95% de los habitantes de la isla tienen calefacción por medio de una red de 700 km de tuberías aisladas que transportan agua caliente. Después de la Segunda Guerra Mundial, muchos países fueron atraídos por la energía geotérmica al considerarla competitiva respecto de otras fuentes de energía. La primera instalación con bomba de calor geotérmica en una vivienda entró en funcionamiento en 1945 en Indianápolis, EE.UU., en la casa de Robert C. Webber, empleado de Indianápolis Power and Light Co. for de en se A partir de la década de los setenta se inicia, en diversas partes del mundo, una intensa actividad de exploración e investigación de recursos geotérmicos al objeto de utilizarlos para producción de energía eléctrica o para calefacción y agua caliente. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página20 En 1947, Kemler, E.N., en su publicación “Methods of Earth Heat Recovery the Heat Pump” ya mostraba los esquemas de los diferentes métodos de conexión bombas de calor al terreno que se siguen utilizando actualmente. En 1948 entró funcionamiento otra instalación en la Universidad del Estado de Ohio, y en 1949 instaló otra en una casa experimental en la Universidad de Toronto, Canadá. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Es también a partir de esa década, como consecuencia de las alzas de los precios del crudo, pero particularmente a partir de la década de los noventa, bajo la presión de las exigencias ambientales y, más particularmente, de la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, cuando el empleo de bombas de calor geotérmicas empieza a conocer un desarrollo prometedor a nivel internacional. En menos de 15 años se ha llegado a la situación actual, con más de un millón de instalaciones, no sólo en América del Norte, Estados Unidos y Canadá, sino también en algunos países europeos, particularmente en Suecia, Suiza, Alemania y Austria. Sólo en Suecia, existen hoy en día más de 400.000 bombas de calor instaladas. Página21 En el año 2000, la capacidad geotermo-eléctrica instalada a nivel mundial era de 8.000 MWe, pasando a 9.000 MWe en el año 2005. Por lo que respecta a los usos no eléctricos de la energía geotérmica, en el año 2000 la capacidad instalada en 59 países era de unos 15.000 MWt. En 2005, la capacidad instalada en 72 países ascendió a alrededor de 28.000 MWt, de los cuales unos 15.000 MWt correspondían a bombas de calor geotérmicas. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 3. Definición de energía geotérmica Antes de definir lo que es la energía geotérmica, quisiera establecer el objetivo de este Trabajo Final de Carrera. Como técnico que me han formado debo tener unos conocimientos tanto teóricos como prácticos de lo que vamos a realizar, sabiendo en todo momento lo que tengo entre manos y como funciona, para así poder expresar acertadamente lo que el operario debe hacer y porque debe hacerlo de una forma determinada. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página22 Desde que descubrí este tipo de energía hace unos meses, no pude resistirme a profundizar e investigar sobre él. Es por ello que en este TFC quisiera establecer las pautas para la ejecución de la instalación geotérmica, estudiando cuando ha de realizarse, atendiendo a las interferencias con otras instalaciones, preparación de los elementos de la instalación, así como aspectos y problemas más importantes que pudieran surgir antes, durante y después de su ejecución. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.1 Definición de energía geotérmica “Energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie sólida de la Tierra.” Esta definición es oficial en Alemania (VDI 4640) y ha sido adoptada por el Consejo Europeo de Energía Geotérmica (EGEC). Engloba el calor almacenado en rocas, suelos y aguas subterráneas, cualquiera que sea su temperatura, profundidad y procedencia. No incluye el calor contenido en masas de agua superficiales, continentales o marinas, cuyo aprovechamiento también es posible mediante intercambiadores y bombas de calor. Sin embargo, el calor contenido en rocas y suelos es demasiado difuso para ser extraído directamente de forma económica, siendo necesario disponer de un fluido, generalmente agua, para transportar el calor hacia la superficie de forma concentrada, mediante sondeos, sondas geotérmicas, colectores horizontales, o mediante intercambiadores de calor tierra-aire enterrados a poca profundidad en el subsuelo. Una vez en superficie, el fluido geotermal, en función de su contenido en calor, se destinará a la producción de energía eléctrica, si es posible, y en caso contrario, se aprovechará su calor directamente recurriendo al empleo de intercambiadores de calor, o de bombas de calor en caso necesario 6.2 Aplicaciones y tipos de energía geotérmica Las aplicaciones que se pueden dar a un fluido geotermal dependen de su contenido en calor, o lo que es lo mismo, de su entalpía. Entalpía es la cantidad de energía térmica que un fluido, o un objeto, puede intercambiar con su entorno. Se expresa en kJ/kg o en kcal/kg. Página23 Como no existen aparatos que determinen directamente la entalpía de un fluido en el subsuelo, pero sí existen sondas térmicas que miden la temperatura, y como la entalpía y la temperatura pueden considerarse, más o menos, proporcionales, la práctica habitual ha generalizado el empleo de las temperaturas de los fluidos geotermales en lugar de sus contenidos en calor, pues, al fin y al cabo, son las temperaturas las que determinan su futura aplicación industrial. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 11: Tabla de los principales usos de la energía geotérmica en función de su temperatura. Fuente: www.geothermie-perspectives.fr Así pues, se establecen las cuatro categorías siguientes para la energía geotérmica: • Alta temperatura: más de 150 ºC Una temperatura superior a 150 ºC permite transformar directamente el vapor de agua en energía eléctrica. • Media temperatura: entre 90 y 150 ºC. Permite producir energía eléctrica utilizando un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las centrales. • Baja temperatura: entre 30 y 90 ºC. Su contenido en calor es insuficiente para producir energía eléctrica, pero es adecuado para calefacción de edificios y en determinados procesos industriales y agrícolas. Página24 • Muy baja temperatura: menos de 30 ºC. Puede ser utilizada para calefacción y climatización, necesitando emplear bombas de calor. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.3 Los recursos geotérmicos Se entiende por recurso geotérmico a la concentración de calor que existe en la corteza terrestre en forma y cantidad tales que su extracción económica es actual o potencialmente posible. Serán los recursos de muy baja temperatura los que nos interesan puesto que son los aplicables a viviendas: 6.3.1 Recursos de muy baja temperatura Prácticamente la totalidad de la corteza terrestre del planeta constituye un extenso yacimiento de recursos geotérmicos de muy baja temperatura, menos de 30ºC, que se ve interrumpido por la presencia de masas de agua continentales o marinas. En cualquier punto de la superficie del planeta se puede captar y aprovechar el calor almacenado en las capas superficiales del subsuelo, a pocos metros de profundidad, o en acuíferos poco profundos, para climatización de casas individuales y edificios por intermedio de bombas de calor geotérmicas. La superficie del suelo intercambia calor con la atmósfera y sufre las variaciones diarias de temperatura hasta una profundidad de 0,5 m. A pocos metros de profundidad, la temperatura permanece relativamente estable, entre 7 y 13 ºC, si se la compara con la temperatura ambiente en superficie. Ello es debido al calor recibido del Sol, que calienta la corteza terrestre especialmente en verano, y a la gran inercia térmica de suelos y rocas. Las variaciones estacionales de temperatura son perceptibles en el terreno hasta una profundidad de alrededor de 10 m. A partir de 10 m de profundidad y con poca circulación de agua subterránea, el subsuelo es capaz de almacenar el calor que recibe y mantenerlo incluso estacionalmente, de forma que el terreno permanece a una temperatura prácticamente constante durante todo el año. A una profundidad de 15 m se considera que el terreno está a temperatura constante todo el año, con un valor ligeramente superior a la temperatura media anual de la superficie. Dicho valor depende del clima, de la vegetación, de la cobertura del suelo, de su pendiente, de la cantidad de nieve y de las propiedades generales del suelo. A partir de 15 m de profundidad, la temperatura de las rocas, que reciben el calor terrestre que remonta de las profundidades, no depende de las variaciones estacionales de temperatura, ni del clima, sólo de las condiciones geológicas y geotérmicas. Por debajo de 20 m de profundidad, la temperatura aumenta a razón de unos 3ºC cada 100 m como consecuencia del gradiente geotérmico. Página25 En la mayor parte de las regiones del planeta, las rocas se encuentran a una temperatura de 25 – 30 ºC a 500 m de profundidad. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 12: Gráfico que muestra la relación entre la profundidad y la temperatura en función de la época del año. Fuente: www.efitek.es Conocidos y localizados los recursos para aprovechar los yacimientos de energía de muy baja temperatura, se establecen una serie de estudios previos que podrán ser muy simples o muy complejos, dependiendo de la potencia que se tenga que suministrar, del tipo de instalación que tenga que extraerlo, de las horas de funcionamiento anual y de la modalidad de la demanda (calefacción y/o refrigeración, y producción de agua caliente sanitaria). Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página26 Figura 13: La siguiente imagen muestra cuatro sistemas de aprovechamiento de la energía de la tierra a muy baja temperatura. Fuente: http://www.geothermie.ch Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 4.3.2. Instalaciones de muy baja temperatura Realizados los estudios previos las instalaciones se agrupan en: • Intercambiadores horizontales enterrados. • Sondas geotérmicas. • Sondeos de captación de agua someros. • Cimientos geotérmicos. 4.3.2.1. Intercambiadores horizontales enterrados Con tan sólo una capa superficial de suelo de 0,8 m de espesor es posible enterrar unos intercambiadores horizontales, tubos de polietileno de 25 a 40 mm de diámetro, por los que circula agua con un anticongelante que, conectados a una bomba de calor geotérmica, pueden satisfacer las necesidades de calefacción de una vivienda familiar de tipo medio, alrededor de 150 m2. Sólo se necesita que la parcela de terreno disponga de un espacio despejado que sea 1,5 veces la superficie habitable a calentar, en el caso de vivienda nueva, y hasta 3 veces para casas antiguas con malos aislamientos térmicos. Debido a la escasa profundidad a la que están enterrados los tubos, el clima tiene una influencia extraordinaria en esta modalidad de explotación. El terreno sirve, por así decirlo, de acumulador de energía solar. La energía geotérmica propiamente dicha no reviste más que un papel secundario. Dependiendo de la altitud topográfica del terreno, las capas de tubos que forman los serpentines o bucles geotérmicos permiten obtener de 20 a 30 W de energía térmica por m2 ocupado por el bucle. En estos casos, unos breves reconocimientos geológicos y geotécnicos del terreno, y seguir las recomendaciones del fabricante de la bomba de calor suele ser suficiente. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página27 Figura 14: Colocación de colectores horizontales. Fuente: ww.ansoltec.com Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 4.3.2.2. Sondas geotérmicas Si la capa de suelo no tiene espesor suficiente, si la superficie disponible para enterrar los intercambiadores horizontales es insuficiente, si existen canalizaciones en el subsuelo, o si la demanda energética es mayor que la que pueden proporcionar los intercambiadores horizontales, siempre se podrán utilizar intercambiadores de calor, en posición vertical, en el interior de uno o varios sondeos, con profundidades que pueden ir desde cerca de 20m hasta más de 100 m, y diámetros de perforación de tan sólo 10 a 15 cm. Estos dispositivos reciben el nombre de sondas geotérmicas. Un parámetro clave para el dimensionamiento de una sonda geotérmica es la potencia de extracción de calor por metro lineal de sonda, y varía, generalmente, entre 20 y 70 W/m. En el caso de requerir mayores potencias, por tratarse de grupos de viviendas o de edificios de grandes dimensiones, puede recurrirse al empleo de campos de sondas geotérmicas, en número de 4 a 50, dispuestas lo más cerca posible de las edificaciones o incluso debajo de ellas, con profundidades de 50 a 300 m, que dependerán de la potencia requerida y de las condiciones geológicas locales. En el caso de instalaciones para potencias inferiores a 30 kW no se requieren estudios previos extensos, ya que suelen dimensionarse para terrenos estándar, a partir de valores tabulados proporcionados por los fabricantes de equipos, o a partir de guías técnicas y normas publicadas por asociaciones de ingenieros y arquitectos en países donde estos sistemas geotérmicos están muy implantados, como pueden ser Alemania, Austria, Francia, Suecia y Suiza. Para poder dimensionar una sonda geotérmica es necesario conocer previamente: • Conductividad térmica del terreno. La potencia de extracción es proporcional a la conductividad térmica. • Humedad natural del suelo. Mejora la conductividad térmica y garantiza un buen contacto entre sonda y suelo. • Presencia o ausencia de aguas subterráneas. Cuando una sonda geotérmica penetra en una capa freática (primera capa con agua subterránea que se encuentra en el subsuelo), o en un acuífero somero, en los que el agua presente una velocidad de flujo superior a varios centímetros por día, la cantidad de calor útil aumenta sensiblemente. • Tipo de prestaciones de la instalación. Puede determinarse a partir de las temperaturas del exterior y del interior del edificio, horas de funcionamiento, modalidad (calefacción-refrigeración-ACS), meses de funcionamiento, etc. En suelos y rocas secos, y en los materiales de revestimiento del sondeo que aloja el material de relleno y los tubos de la sonda geotérmica, la propagación del calor se realiza por conducción. Página28 En el seno del líquido que circula por el interior de la sonda, el calor se propaga por convección natural y por convección forzada. Si la sonda atraviesa un medio poroso saturado de agua, existirá también propagación de calor por convección natural y forzada. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Para la transferencia de calor por conducción, las propiedades físicas más importantes de suelos, rocas y materiales de la sonda son la conductividad térmica y la capacidad térmica volumétrica. Para la transferencia de calor por convección, la permeabilidad del terreno también es un parámetro importante. • Conductividad térmica es el flujo de calor transmitido por conducción a través de un cuerpo sometido a un gradiente de temperatura de 1 K/m (1 grado Kelvin por metro). Se expresa en W/m· K, o en W/m· ºC. • Capacidad térmica volumétrica es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 m3 de terreno en 1 K. Se expresa en J/m3· K. • Permeabilidad es la capacidad de un suelo o roca para ser atravesado por el agua. Se expresa en m/s. Permite determinar la velocidad de flujo del agua subterránea. Página29 Las instalaciones de tamaño medio a grande, como son los campos de sondas geotérmicas, no se pueden diseñar simplemente con ayuda de un conjunto de reglas generales y recomendaciones. Hay que hacer una revisión exhaustiva de la geología e hidrogeología del emplazamiento, recopilar información sobre infraestructuras, servicios y captaciones enterrados en el subsuelo, sobre posibles instalaciones similares cercanas a las que se puede interferir o ser interferido por ellas, y determinar en laboratorio las propiedades geotérmicas de los materiales con muestras tomadas en los sondeos. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera La siguiente tabla muestra los valores de conductividad térmica y capacidad térmica volumétrica de las rocas más comunes y de algunos materiales de uso frecuente. TIPO DE ROCA Min. Basalto Diorita Cabro Granito Peridotita Riolita 1,3, 2,0 1,7 2,1 3,8 3,1 Gneis Mármol Metacuarcita Micasquistos Esquistos arcillosos 1,9 1,3 Caliza Marga Cuarcita Sal Arenisca Rocas arcillosas 2,5 1,5 3,6 5,3 1,3 1,1 Grava, seca Grava, saturada de agua Morrera Arena, seca Arena saturada de agua Arcilla / limo, seco Arcilla/ limo, saturado de agua Turba 0,4 Bentonita Hormigón Hielo(-10ºC) Plactico(PE) Aire (0-20ºC) Acero Agua (+10ºC) 0,5 0,9 1,5 1,5 Valor Max. típico Rocas magmáticas 1,7 2,3 2,6 2,9 1,9 2,5 3,4 4,1 4,0 5,3 3,3 3,4 Rocas metamórficas 2,9 4,0 2,1 3,1 Aprox. 5,9 2,0 3,1 2,1 2,1 Rocas sedimentarias 2,8 4,0 2,1 3,5 6,0 6,6 5,4 6,4 2,3 5,1 2,2 3,5 Rocas no consolidadas 0,4 0,5 Aprox. 1,8 CAPACIDAD TERMICA VOLUMETRICA (Mj/m3K) 2,3-2,6 2,9 2,6 2,1-3,0 2,7 2,1 1,8-2,4 2,0 2,1 2,2 2,2-2,5 2,1-2,4 2,2-2,3 2,1-2,2 1,2 1,6-2,8 2,1-2,4 1,4-1,6 Aprox. 2,4 1,0 0,3 1,7 2,0 0,4 2,4 2,5 0,8 5,0 1,5-2,5 1,3-1,9 2,2-2,9 0,4 0,9 0,5 1,7 1,0 2,3 1,5-1,6 1,6-3,4 0,2 0,4 0,7 Otros materiales 0,6 0,8 1,6 2,0 2,32 0,39 0,02 60,0 0,58 0,5-3,8 Aprox. 3,9 Aprox. 1,8 1,87 0,0012 3,12 4,19 Figura 15: Tabla de conductividad térmica y capacidad térmica volumétrica de diferentes tipos de rocas y materiales. Fuente: Apuntes de Paud, D. sobre la energía geotérmica y almacenamiento de calor. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página30 CONDUCTIVIDAD TÉRMICAS Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera La capacidad de las sondas geotérmicas verticales se puede determinar experimentalmente realizando Test de Respuesta Térmica en uno o varios sondeos piloto. Gracias a las medidas de temperatura realizadas en el interior del tubo de una sonda geotérmica, se puede tener una imagen exacta de las temperaturas encontradas a lo largo del mismo. Figura 16: Esquema y equipo móvil para realización de test de respuesta térmica. Fuente: www.girodgeotermia.com Se utilizan programas informáticos para el diseño de la matriz de sondeos y para simulación numérica dinámica, que permiten tener en cuenta las posibles interferencias entre ellos, y la existencia de flujos regionales o locales de agua subterránea que facilitarían el transporte de calor dentro de la red de sondeos. Página31 Cuando un sistema completo está ya instalado y funcionando, un programa informático que mide las prestaciones del campo de sondas durante dos años, permite evaluar si los objetivos fijados por el proyecto energético han sido alcanzados, optimizar los reglajes, y ajustar el modo de funcionamiento. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 4.3.2.3. Sondeos de captación de agua someros Si la permeabilidad del terreno es suficientemente elevada puede recurrirse a explotar la capa freática mediante dos sondeos, uno de producción, con una bomba sumergida que conduce el agua a la bomba de calor para, una vez extraída su energía y enfriada, ser devuelta a la capa freática por un pozo de reinyección, o ser vertida a un cauce fluvial. Para evitar el enfriamiento continuo del agua subterránea, los sondeos de toma y restitución de agua deben situarse respectivamente aguas arriba y aguas abajo del flujo subterráneo. Para una instalación con una potencia calorífica de 20 kW puede ser necesario un caudal de agua de alrededor de 6 m3/h. Para demandas energéticas grandes, de más de 75 kW, los sistemas abiertos que explotan acuíferos poco profundos, por debajo de la capa freática, mediante pozos de captación y de reinyección, ofrecen, cuando pueden utilizarse, ventajas económicas con respecto a los campos de sondas geotérmicas, derivadas del ahorro que supone tener que perforar menos metros de sondeos. En sistemas abiertos que explotan acuíferos poco profundos, se requiere un estudio hidrogeológico local y la perforación de, al menos, dos pozos, de extracción y de reinyección, en los que se realicen ensayos hidráulicos para comprobar que no se vean interferidos entre ellos hidráulica y térmicamente, reduciendo la eficiencia del sistema, y ensayos de calidad del agua, vigilando que tenga bajos contenidos en hierro y bajo potencial redox, al objeto de evitar problemas de corrosión, sarro y colmatación de tuberías y conducciones, que puedan afectar al funcionamiento de la instalación a largo plazo. Otro aspecto, no menos importante, a tener en cuenta en la fase de estudios previos, es el de las autorizaciones para captación de agua, por la cantidad de disposiciones a nivel local, autonómico y nacional, sobre protección de las aguas subterráneas que, como es lógico, anteponen el abastecimiento de agua potable a las poblaciones para consumo humano a la captación con fines de climatización de edificios. Página32 Figura 17: Esquema para calefacción de vivienda unifamiliar mediante sondeos de captación de agua en la capa freática. Fuente: Cattin, S. Infos-Géothermie nº 4. Suisse énergie. 2002 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 4.3.2.4. Cimientos geotérmicos Cuando en una excavación, porque es necesario para asegurar la estabilidad de los terrenos circundantes, o porque un suelo no tiene suficiente resistencia para soportar las cargas de una estructura mediante cimentaciones superficiales, se emplean pilotes, pantallas subterráneas, muros de contención o losas, fabricados con hormigón armado, que se hincan en el terreno, generalmente a nivel de la capa freática, a profundidades comprendidas entre 10 y 40 m. De forma indirecta, se están creando unas condiciones propicias para el intercambio de energía geotérmica de muy baja temperatura con el terreno, dado el gran volumen que se ve afectado. Basta con insertar en el interior de parte, o de la totalidad, de esas piezas de hormigón, una red de tubos de polietileno por los que circule agua con un anticongelante, y conectarlos en circuito cerrado con una bomba de calor o con una máquina de refrigeración. En sus inicios, entre finales de los años setenta y principios de los ochenta, esta tecnología se empleaba en casas individuales y plurifamiliares, pero actualmente es una de las más utilizadas para calentar edificios de grandes dimensiones en invierno y para enfriarlos en verano, por mediación del almacenamiento subterráneo estacional de calor y de frío, recibiendo diferentes denominaciones: cimientos geotérmicos, energéticos o termoactivos, geoestructuras, pilotes intercambiadores de calor, etc. Figura 19: Colectores intercambiadores de calor integrados en un pilote. Fuente: ww.ansoltec.com Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página33 Figura 18: Colectores intercambiadores de calor integrados en un pilote. Fuente: Geothermal Energy. Clause, C. 2006 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Por lo que respecta a los estudios previos necesarios para poder implantar una instalación geotérmica de este tipo, es válido mucho de lo indicado para los campos de sondas geotérmicas. Es importante conocer de antemano: Características geotécnicas de los estratos del subsuelo en que han de hincarse las cimentaciones activas. Nivel de la capa freática, oscilaciones anuales, dirección y velocidad de flujo. Características del terreno necesarias para definir el potencial geotérmico: capacidad térmica volumétrica, conductividad térmica y permeabilidad. Existencia o ausencia de manantiales cercanos o construcciones subterráneas que desvíen o calienten las aguas freáticas. Temperatura máxima, mínima y media anual del subsuelo. Distribución mensual y semanal del consumo de energía en calefacción y refrigeración, así como sus rendimientos de punta. CARACTERÍSTICAS DE LOS ESTRATOS DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA NIVEL DE LA CAPA FREÁTICA INSTALACION CIMIENTOS GEOTÉRMICOS EXISTENCIA DE MANANTIALES O CONSTRUCCIONES SUBTERRANEAS Página34 TEMPERATURA DEL SUBSULEO Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera En la figura 20 se muestran los campos de variación de las tres características de los terrenos, en formaciones geológicas blandas que se pueden encontrar en la construcción de pilotes. TIPO DE SUELO PERMEABILIDAD (M/S) Arcilla Limo Arena Grava 10-8-10-10 10-5-10-8 10-3-10-4 10-1-10-3 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (W/MK) SECO 0,2-0,3 0,2-0,3 0,3-0,4 0,3-0,4 CAPACIDAD TÉRMICA VOLUMÉTRICA (MJ/M3K) SATURADO SECO SATURADO 1,1-1,6 0,3-0,6 2,1-3,2 1,2-2,5 0,6-1,0 2,1-2,4 1,7-3,2 1,0-1,3 2,2-2,4 1,8-3,3 1,2-1,6 2,2-2,4 Figura 20: Tabla de variación de las principales características, de los terrenos más comunes. Fuente: Paud, D. Geothermal energy and heat storage. 2002. En la tabla se aprecia que los valores de la conductividad térmica y de la capacidad térmica volumétrica son mucho más elevados en presencia de agua subterránea. La capacidad de un conjunto de pilotes intercambiadores para almacenar energía térmica estacionalmente, depende directamente de la velocidad de flujo de la capa freática. Basta una velocidad de 0,5 a 1 metro por día para que se disipe la energía transferida por los pilotes y se impida su almacenamiento. El diseño de una instalación de calefacción y de climatización utilizando cimientos geotérmicos debe ser concebido lo más pronto posible en un proyecto, pues los pilotes serán colocados en obra antes de que las instalaciones de calefacción y refrigeración hayan sido dimensionadas. Página35 Es muy importante que, desde el principio de la planificación del proyecto constructivo, colaboren arquitectos, geólogos, ingenieros, especialistas en cimentaciones, expertos en proyectos de climatización de edificios, la dirección de obra y otros profesionales implicados en el proyecto, para que la empresa especializada encargada de la cimentación proceda al cálculo y simulación, en tres dimensiones, de los diferentes parámetros que influyen recíprocamente, y que determinan, en última instancia, los límites del rendimiento de las instalaciones. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5. La energía geotérmica en España La situación del uso de la energía geotérmica en España se puede resumir en muy pocas palabras: El número de bombas de calor geotérmicas instaladas en el país en el año 2006, según fuentes del sector, era de alrededor de 300. La mayoría se encontraban en Cataluña, principalmente en viviendas residenciales de nueva construcción. La potencia instalada para utilización de calor geotérmico en el año 2005, era de 22,28 MWt, ascendiendo la energía empleada a 347,24 TJ. La potencia instalada para producción de energía eléctrica de origen geotérmico es nula. En los apartados siguientes se intenta buscar explicación al escaso aprovechamiento que se hace en España de los recursos geotérmicos de muy baja temperatura, y se expone una visión resumida del conjunto de los recursos geotérmicos de más de 30 ºC de temperatura que, por su pequeña relevancia, se han agrupado en un solo apartado sin diferenciación de temperaturas. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página36 La conclusión a la que se llega es que la aportación de la energía geotérmica al consumo de energía primaria en España es insignificante. En el año 2004 era del 0,01%, y actualmente será menor, pues en los últimos años se ha producido un espectacular crecimiento de la energía eólica y de la energía solar, térmica y fotovoltaica, mientras que la energía geotérmica ha permanecido estancada. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 4.1. Energía geotérmica de muy baja temperatura Resulta extraña la escasa implantación que tienen las bombas de calor geotérmicas en España, alrededor de 300, aún más si se compara, no ya con los países del norte de Europa, con inviernos muy fríos, sino con nuestro vecino Francia, de clima más benigno, que con 28.500 unidades, en 2005 ocupaba el cuarto lugar dentro de la Unión Europea, por detrás de Suecia, Alemania y Austria. Si hubiese que señalar los motivos, se podrían apuntar entre otros: Clima y población: la mayor parte de la superficie interior de España está sometida a un clima continental con inviernos largos y fríos, con veranos frescos en el norte y cálidos en el sur. Las mayores concentraciones de población se dan, principalmente, en Madrid y su área de influencia, y una parte importante de la misma, la Meseta Norte, está muy despoblada. Hay mayor número de habitantes en las zonas periféricas e insulares del país, y en ellas se ubican la mayoría de las plazas turísticas, los establecimientos hoteleros y las segundas residencias de las gentes del interior de la Península. Estas otras regiones cuentan con temperaturas suaves en invierno y elevadas en verano, como en toda la Zona Mediterránea, Zona Atlántica Andaluza e Islas Baleares, o con temperaturas suaves todo el año, ya sea con precipitaciones abundantes, como en Galicia y la Zona Cantábrica, o con precipitaciones escasas, como en las Islas Canarias. El periodo de utilización de calefacción en muchos hogares es muy corto, y la refrigeración o aire acondicionado, hasta hace relativamente pocos años, se ha considerado un lujo por una gran mayoría de españoles. Falta de promoción: la gran demanda de bombas de calor geotérmicas habida en los países del centro y norte de Europa en los últimos años ha originado que los principales fabricantes de Suecia, Estados Unidos, Francia e Italia, no hayan tenido capacidad de exportación a nuestros país hasta hace pocos años. Las primeras bombas de calor geotérmicas empezaron a instalarse en España en 2000-2001. Poco interés: por parte de los promotores inmobiliarios, y por parte de los compradores de vivienda nueva, más preocupados por la evolución del “euribor” que por la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, y no dispuestos a ver incrementadas sus hipotecas con el coste adicional, no desdeñable, que representa una instalación para aprovechamiento de energía geotérmica de muy baja temperatura. Falta de apoyo institucional: los organismos competentes de la Administración Central han apoyado la construcción de parques eólicos y solares fotovoltaicos, y la implantación de paneles solares para la producción de ACS en los hogares, llegando a hacerlo obligatorio en los edificios de nueva construcción, olvidándose de la energía geotérmica. Página37 Sólo recientemente se ha producido una inflexión en este aspecto y, actualmente, son muchas las comunidades autónomas que subvencionan parte de los costes de inversión en instalaciones de bombas de calor geotérmicas. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 21: Esquema de vivienda unifamiliar con instalación geotérmica de climatización y ACS. Fuente: Guía de la Energía Geotérmica de la Comunidad de Madrid. Ausencia de reglamentación específica: relativa a la perforación de sondeos para instalar sondas geotérmicas. Instaladores, usuarios potenciales y, particularmente, empresas de sondeos, han visto retrasarse sus proyectos porque la persona responsable de conceder la autorización no disponía de reglamentación pertinente, o porque no la ha considerado de su competencia. Si a esto se une el poco volumen de mercado que representan las sondas geotérmicas, se comprende la falta de interés de las empresas de sondeos españolas por especializarse y dedicarse a este ámbito. Éstas, y puede que algunas más, se vislumbran como las principales causas del escaso aprovechamiento de la energía geotérmica de muy baja temperatura en España. Si la escalada de los precios de los combustibles fósiles continúa, y si las tarifas de la energía eléctrica para consumo doméstico siguen aumentando, la situación puede revertir significativamente en los próximos años. Estas circunstancias propician que el suelo almacene más calor solar que en otros países europeos. Si en los países del centro y norte de Europa aprovechan temperaturas del subsuelo a pocos metros de profundidad de sólo 10 – 12 ºC, e incluso de tan sólo 8 ºC en Suiza, en España, a partir de 5 m de profundidad, la Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página38 El clima, apuntado como primer argumento, cuenta a su favor con la radiación solar. La Península Ibérica recibe una radiación media de unos 15 MJ/m2·d, que calienta la superficie de unos suelos que, en grandes zonas del país, está desprotegido de vegetación, con elevada temperatura ambiental, que recibe escasas precipitaciones anuales y que, cuando se cubre de nieve, lo hace durante un corto periodo de tiempo. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera temperatura es de alrededor de 15 ºC con pequeñas variaciones. Entre 15 y 20 m de profundidad, la estabilidad térmica suele ser de 17 ºC todo el año. La inercia térmica condiciona también el desfase temporal, alcanzando el subsuelo los valores más frescos en primavera, tras el invierno, y los valores más cálidos en otoño, tras el verano. Página39 Se podría afirmar que el suelo español reúne mejores condiciones para almacenar e intercambiar calor, que el de la mayoría de los países donde las instalaciones de bombas de calor geotérmicas están más implantadas. La situación de las compañías eléctricas, obligadas a comprar a particulares energía eléctrica procedente de energías renovables, con costes de generación mayores que las que ellas producen de combustibles fósiles, no podrá mantenerse mucho tiempo sin repercutirlo a los consumidores. En la medida que esto ocurra, la energía geotérmica de muy baja temperatura saldrá del olvido en el que parece estar recluida. La adaptación y transposición, por parte de los organismos competentes de las comunidades autónomas, de reglamentación y normativa que ya existe en otros países europeos sobre realización de sondeos para aprovechamiento geotérmico, facilitará la labor de instaladores y perforistas, y reducirá la demora que soporta un usuario desde que hace su elección por la energía geotérmica hasta que puede disfrutar de ella. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5. Elementos de la instalación Como se ha comentado anteriormente, esta instalación lleva a cabo la climatización aprovechando la diferencia de temperatura entre el subsuelo y el ambiente exterior, a través de un colector instalado bajo tierra que en invierno aprovecha la temperatura más alta del suelo para la calefacción, y en verano la temperatura más baja para la refrigeración. Para diferenciarlo del sistema geotérmico clásico de aprovechamiento del agua caliente a gran profundidad, el sistema se llama geotérmico de bomba de calor, en ingles se le conoce con las siglas GHP (Geotermal Heat Pump) o GSHP (Ground Source Heat Pump). Como característica favorable respecto a la energía solar térmica es que este sistema no es afectado por las condiciones meteorológicas o estacionales, ya que la temperatura del subsuelo permanece constante durante todo el año. Se utiliza el sistema de lazo abierto en el caso de que se disponga en el terreno de una fuente de agua, un pozo, río, embalse, acequia o lago. La tubería colectora extrae el agua y la envía al intercambiador de calor de la bomba de calor y la retorna a una cierta distancia de su origen, sin contaminarla en el proceso. Este sistema es el preferible, ya que resulta más económico, pero no siempre es posible, pues las normas locales de sanidad pueden prohibirlo. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página40 El sistema puede actuar en lazo abierto o cerrado. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera En el sistema de lazo cerrado disponemos un circuito por el que circula el líquido intercambiador y se compone básicamente de: o Red de tuberías enterradas en el subsuelo, horizontales, verticales o sumergidas en lagos o estanques, con agua en su interior circulando mediante una bomba. La red actúa como un intercambiador de calor que toma el calor relativo de la tierra en invierno y el frío relativo en verano. o Bomba de calor geotérmica con refrigerante en un circuito intermedio. El lado caliente del circuito comprime el gas y aumenta su temperatura, que se transmite al circuito de distribución de calor del edificio, mientras que el lado frío del circuito actúa a la inversa. o El circuito de distribución del edificio puede incorporar, suelo radiante o bien radiadores o bien conductos de aire para repartir las frigorías o calorías generadas por el intercambiador enterrado en la tierra. Este TFC se centrará fundamentalmente en circuitos de lazo cerrados. En los apartados que siguen a continuación se tratara de explicar el funcionamiento de las distintas partes de la instalación geotérmica al mismo tiempo que se enumeran cada uno de los elementos que la componen. 5.1. Bombas de calor geotérmicas Las leyes que sobre la forma de comportarse los gases enunciaron Boyle, Mariotte, Charles y Gay-Lussac, no son más que el reflejo de un principio ya conocido desde muy antiguo por los físicos y que puede enunciarse así: “Un gas se calienta cuando se comprime y se enfría cuando se expande”. Este sencillo enunciado, casi evidente, es el origen de una de las máquinas con más difusión en la sociedad y con la que vamos a explicar el funcionamiento básico de una bomba de calor. En efecto, los clásicos frigoríficos, tanto domésticos como industriales, utilizan este principio. El denominado comúnmente “refrigerador” o “nevera” son armarios o cajones aislados térmicamente para que el calor no penetre dentro de dicho armario. Dentro del refrigerador se dispone de un panel de captación, que contiene en su interior un circuito hidráulico, por el que circula un líquido refrigerante o un gas licuado. Este líquido tiende a evaporarse captando o “robando” rápidamente el calor introducido junto con el alimento. Una vez captado el calor en el líquido o gas, éste pasa a un compresor que lo comprime, consiguiendo así que aumente de temperatura. Aumentada su temperatura en la compresión, se traspasa por circulación al panel o circuito exterior (parte trasera de los refrigeradores). El calor que transporta el líquido invadirá la ausencia de éste en el ambiente exterior, disipándolo fuera del refrigerador. Página41 Este mecanismo es lo que se denomina una bomba de calor, y con ella se ha conseguido extraer el calor del interior del frigorífico y se ha disipado en el exterior. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Así pues, de una forma más general podemos definir una bomba de calor como un mecanismo que aprovecha las leyes de la termodinámica para mover el calor de forma ultra eficiente de un lugar a otro, en lugar de generarlo, como hace por ejemplo una caldera. Para lograrlo, convierte el líquido refrigerante que circula por su interior en gas de forma mecánica. El gas absorbe el calor de donde nosotros queremos extraerlo, y el compresor, que es el único proceso que consume electricidad, comprime el gas para pasarlo de nuevo al estado líquido, extrayendo el calor, que podemos aplicar después donde más nos interesa. Si se consigue aprovechar el frío en el evaporador (válvula de expansión) para enfriar un ambiente en verano, y el calor en el condensador (compresor) para calentar el mismo ambiente en invierno, se habrá conseguido alcanzar el concepto de climatización. Un aparato de aire acondicionado es una bomba de calor semejante a un frigorífico, pero que dispone de componentes adicionales que permiten enviar calor en cualquiera de los dos sentidos. Por lo tanto lo que hace es expulsar al aire de la calle el calor que hay en nuestra casa en verano, e introducir en invierno aire caliente. Pues bien, la bomba de calor geotérmica hace lo mismo que la máquina de aire acondicionado pero el lugar de intercambiar el calor con el aire de la calle, lo intercambia con el subsuelo, que mantiene una temperatura homogénea de 15°C a lo largo de todo el año. 1 Kw BOMBA DE CALOR 8 Kw Con la bomba de calor se gasta una sola unidad de energía (1 Kw, electricidad, gas, gasóleo, etc) y es capaz de producir hasta ocho unidades de energía (8 Kw de calor y/o frio). Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página42 Figura 22: Interior de una bomba de calor. Fuente: Catálogo waterkotte iberia. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 23: Bomba de calor geotérmica en modo refrigeración. En verano el terreno es más frío que el aire con lo que las tuberías condensan el refrigerante a temperaturas más bajas, mientras que en invierno es al revés y las tuberías evaporan el refrigerante a temperaturas más altas. Figura 24: Bomba de calor geotérmica en modo refrigeración calefacción. Bombas de calor agua-agua: Utilizan como fuente de calor el de la tierra o el dl agua freática, o de ríos, lagos, etc. y transfieren el calor a radiadores. Bombas de calor agua-aire: Utilizan la misma fuente de calor anterior (tierra o agua freática o de ríos y lagos) y lo transfieren mediante aire en conductos situados en la vivienda o edificio. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página43 Dependiendo de los fluidos de entrada y de salida, las bombas de calor geotérmicas son básicamente: Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Las bombas de calor pueden tener una potencia de 2 kW hasta 27 kW, y sus capacidades de calefacción y refrigeración se expresan en kW (Europa). La instalación se puede conectar a suelo radiante, sistema de radiadores o a cualquier sistema de calefacción y refrigeración cuyo fluido de transmisión sea el agua. Nos encontramos pues con un aparato de gran eficiencia que puede obtener calor de la tierra que tenemos a nuestro alrededor utilizando una pequeña cantidad de energía eléctrica, que nos devuelve en forma de calor multiplicada por 4 o 5. Además no contamina ni perjudica al medio ambiente, y tiene un mantenimiento mínimo. Página44 Como inconveniente podríamos citar que tiene un coste inicial elevado, como unas 2,5 veces el de otros equipos, debido especialmente al coste realización de los pozos para las tuberías intercambiadoras. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5.1.1 ¿Cómo elegir una bomba de calor geotérmica? Las hay de muchos tipos y fabricantes. El dato más importante es su COP (coefficient of performance) coeficiente de eficiencia. Cuanto mayor sea el COP, mayor será su eficiencia energética y menor consumo eléctrico. Para encontrar una bomba adecuada, atenderemos a los siguientes puntos: Consumen aproximadamente de un 20% a un 30% de energía eléctrica y obtienen del subsuelo entre un 80% y un 70% gratis de energía calorífica. (Según marcas y fabricantes y COP). Ejemplo: suponiendo una bomba de calor con un COP de 5 instalada en una casa que necesite para calefacción un total de 25000 Kw/año de energía calorífica, consumirá 5000 Kw/año de energía eléctrica. No necesitan apoyo de ningún otro tipo de caldera. Las eficientes no llevan ningún tipo de resistencia de apoyo (Según marcas y fabricantes). Producen calefacción, refrigeración, ACS. (Según modelos y fabricantes). Son silenciosas (producen el ruido de una nevera grande). Sin humos, ni olores, ni peligro de incendio. Las más eficientes tienen un COP (coefficient of performance ) de 5 o superior y las más avanzadas técnicamente usan sistemas inverter o modulantes con un COP de 6 o superior. Las modernas utilizan como fluido liquido-gaseoso R410A hecho que posibilita un mayor rendimiento. Las modernas están controladas por un autómata computerizado con posible conexión a Internet. El COP se calcula del siguiente modo: COP = Para una mejor comprensión lo explicaremos mediante un ejemplo numérico: El valor típico del COP varía entre 3,5 y 5,5. Esto quiere decir: Si extraemos de la tierra 10 kW, solo nos cuesta = 2,86 kW o bien, dependiendo de la bomba geotérmica = 1,81Kw Página45 Además, el sistema en sí, no genera CO2, exceptuando la energía eléctrica de alimentación de la bomba que puede producir CO2 según se esté generando. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5.2. Intercambiadores geotérmicos. El intercambiador enterrado está constituido por conductos de polietileno de alta resistencia y gran duración producidas en fábrica de una sola pieza. Por estos conductos circula el agua gliconada que facilita el intercambio de calor con el terreno. Los intercambiadores geotérmicos no deben instalarse por debajo de superficies edificadas o selladas. Existe un inconveniente en las regiones frías, en las que las temperaturas del suelo a 1m de profundidad pueden alcanzar el punto de congelación incluso sin aprovechamiento de calor. A una profundidad de 2 m, la temperatura mínima es de unos 5ºC. La temperatura sube según aumenta la profundidad, no obstante, la corriente térmica que viene de la superficie disminuye. Por lo tanto, en caso de una instalación demasiado profunda, la descongelación en primavera no queda asegurada. Por este motivo, la profundidad de instalación debe situarse de 0,2 a 0,3 m por debajo del límite máximo de heladas. En la mayoría de las regiones, este se encuentra entre 1,0 y 1,5 m. Los intercambiadores se diferencian según el tipo de instalación: 5.2.1. Sondas geotérmicas: son elementos enterrados verticalmente en el terreno hasta una profundidad de, normalmente, 70 - 150 m. Se fabrican en polietileno de alta calidad y gran durabilidad. El dimensionamiento exacto depende de las condiciones geológicas e hidrogeológicas. Normalmente el instalador no dispone de estos datos, por lo que se precisa la contratación de un estudio geotécnico. Para la configuración de las sondas geotérmicas se dan dos casos: Instalaciones individuales con bomba de calor y una potencia de caldeo de hasta 30kW; suponiendo una longitud de las sondas geotérmicas entre 40 y 100 m, distancia mínima entre sondas de 6m y utilización de sondas doble uve con diámetro 32 o 40. En estas potencias de extracción ha de tenerse en cuenta el trabajo de extracción específico anual, el cual supone un factor de influencia a largo plazo. Instalaciones que se compongan de varias instalaciones individuales, que superen las 2400 horas de servicio al año, se utilicen para calentar y refrigerar o tengan una potencia total superior a 30kW. Página46 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera En el primer caso se puede utilizar la configuración de la siguiente tabla: SUBSUELO POTENCIA DE EXTRACCIÓN ESPECIFICA Para 1800 h Para 2400 h Valores generales de orientación Subsuelo malo (sedimento seco) (λ< 1,5W/(m*K)) 25 W/m 20 W/m Subsuelo normal de roca solida y sedimento saturado de 60 W/m 50 W/m agua(λ< 1,5-3,0 W/(m*K)) Roca solida con conductividad térmica alta (λ>3,0 W/(m*K)) 84 W/m 70 W/m Tipo de roca: Gravilla, arena, secas < 25 W/m <20 W/m Gravilla, arena, acuíferas 65-80 W/m 55-65 W/m En caso de fuerte flujo de agua subterránea en gravilla y 80-100 W/m 80-100 W/m arena, para instalaciones individuales Arcilla, barro, húmedos 35-50 W/m 30-40 W/m Piedra caliza (macizos) 55-70 W/m 45-60 W/m Piedra arenisca 65-80 W/m 55-65 W/m Magmáticas acidas 65-85 W/m 55-70 W/m Magmáticas básicas 40-65 W/m 35-55 W/m Gneis 70-85 W/m 60-70 W/m Figura 25: Potencias de extracción para sondas geotérmica. Fuente: Manual de planificación e instalación de bombas de calor para calefacción y ACS. En el segundo caso se debe comprobar la configuración de la instalación mediante los cálculos de una oficina de planificación para geotermia. Figura 26: Introducción de sondas geotérmicas. Fuente: Fuente: ww.ansoltec.com Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página47 En la planificación y al solicitar el permiso respectivo deben observarse las directivas y normas incluidas en el código de minera y de aguas. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 27: Introducción de sondas geotérmicas. Fuente: ww.ansoltec.com Figura 28.Sonda geotérmica, y lastre para sonda. Fuente: Catálogo raugeo. Este tipo de sonda en U es la única que no precisa de uniones soldadas. Por cada metro de sonsa se puede contar con una media de 50W como potencia de la fuente de calor. Página48 Figura 29.Sonda geotérmica. Fuente: Catálogo raugeo. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5.2.2. Intercambiadores geotérmicos instalados en posición horizontal a una profundidad de aprox. 1,5 m. Se fabrican en polietileno de alta calidad y gran durabilidad. Si el terreno no es pedregoso el tubo será de PE-100, si por el contrario lo es, se utilizaran tubos de de polietileno reticulado de 32 mm. La superficie necesaria para instalar un intercambiador geotérmico horizontal depende de la potencia frigorífica de la bomba de calor, del tipo de suelo, contenido de humedad de la tierra y zona climática, duración máxima del periodo de heladas, de la disponibilidad de una superficie libre de grandes dimensiones junto al edificio. En zonas montañosas a mediana altura a partir de aproximadamente 900 m a 1000 m sobre el nivel del mar las potencias de extracción son muy reducidas, por lo que no se recomienda este tipo de colectores. Los intercambiadores geotérmicos constituyen la alternativa idónea a la sonda geotérmica. Presentan un buen rendimiento y se pueden colocar de forma sencilla y con un coste reducido, porque no es necesario contratar a una empresa especializada en sondeo. Se debe tener cuidado con las cargas puntuales del terreno si el material del colector no está reforzado. Para evitar la rotura se deberá apoyar sobre una cama de arena. Página49 Figura 30: Colectores horizontales. Fuente: Catálogo raugeo. Figura 31: Introducción de intercambiadores geotérmicos. Fuente: ww.ansoltec.com Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 32: Introducción de intercambiadores geotérmicos en una losa de cimentación. Fuente: Centro de investigación de la geotermia. Página50 Los serpentines se deben conectar o instalar mediante un distribuidor de ida y colector de retorno, de tal modo que todos los circuitos tengan la misma longitud. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5.2.3. Tubos intercambiadores geotérmicos introducidos en los pilotes de las cimentaciones (conocidos como pilotes energéticos). La dificultad para la instalación radica en la resistencia de los tubos, así como, en especial, en los reducidos radios de curvatura que admiten los materiales, gracias a lo cual se posibilita una captación de energía segura a largo plazo. Dado que los trabajos de pilotaje resultan ya de por sí necesarios, la integración del sistema de colector conlleva unos costes adicionales reducidos. La configuración de este tipo de instalaciones se debe realizar según el fabricante o proveedor. El fabricante deberá garantizar el funcionamiento a largo plazo del sistema según las siguientes indicaciones: Temperatura de salmuera mínima admisible. Potencia frigorífica y caudal de salmuera de la bomba de calor utilizada. Horas de servicio anuales de la bomba de calor. Adicionalmente se deben suministrar las siguientes informaciones: Perdidas de presión con el caudal de salmuera indicado para configurar la bomba de circulación de salmuera. Posibles influencias sobre la vegetación Prescripciones de instalación Página51 Figura 33: Intercambiadores de calor, integrados en un pilote. Fuente: Manual de planificación e instalación de bombas de calor para calefacción y ACS Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 35: Armadura de pilote con captadores antes y después de su colocación. Fuente: www.enercret.com Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página52 Figura 34: Diversos tipos de instalación de tubos captadores verticales en sondas geotérmicas. Fuente: Geothermal Aplications. Climate Master. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5.3. Agua gliconada 5.3.1. ¿Qué es el glicol? El glicol (HO-CH2CH2-OH) se denomina sistemáticamente etano-1,2-diol. Se trata del diol más sencillo, nombre que también se emplea para cualquier poliol. Su nombre deriva del griego glicos (dulce) y se refiere al sabor dulce de esta sustancia. El glicol es una sustancia ligeramente viscosa, incolora e inodora con un elevado punto de ebullición y un punto de fusión de aproximadamente -12 °C (261 K). Se mezcla con agua en cualquier proporción. Es utilizado como aditivo anticongelante. 5.3.2. ¿Cómo se fabrica? El glicol se genera industrialmente a partir de eteno mediante oxidación con oxígeno en presencia de óxido de plata como catalizador e hidrólisis del óxido de eteno generado en la primera etapa. Otra forma de sintetizarlo es mediante tratamiento con una solución fría, diluida y básica de permanganato de potasio, llevándose a cabo con una estereoquímica sin (hidroxilación con permanganato). 5.3.3. ¿Por qué es necesario en glicol (anticongelante)? El anticongelante es necesario para la protección de la bomba de calor. La mezcla se compone comúnmente de un 75% de agua y 25% de Etilenglicol o Propilenglicol. 5.3.4. ¿Cuál es debe ser la proporción agua-glicol? La siguiente tabla muestra el volumen total y cantidad de anticongelante por cada 100m de tubo, para diferente tubos de PE y una protección contra heladas de hasta – 14ºC. Figura 36: Volumen total y cantidad de anticongelante por cada 100m de tubo para diferentes tubos de PE y una protección contra heladas de hasta -14ºC. Volumen por cada 100m (l) Anticongelante por cada 100 m (l) Caudal max. De salmuera (l/h) 25x2,3 32,7 8,2 1100 32x2,9 53,1 13,3 2900 40x3,7 83,5 20,9 2900 50x4,6 130,7 32,7 4700 63x5,8 207,5 51,9 7200 75x6,9 194,2 73,6 10800 90x8,2 425,5 106,4 15500 110x10 636 159 23400 125x11,4 820 205 29500 140x12,7 1031 258 40000 160x12,7 1344 336 50000 Página53 Fuente: Manual de planificación e instalación de bombas de calor para calefacción y ACS Tubo DIN 8074 (PN 12,5) (mm) Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 5.4. Sistemas de calefacción/refrigeración en viviendas La calefacción y/o refrigeración de la vivienda con la bomba de calor geotérmica, puede realizarse de diversas formas: Por conductos de aire en las habitaciones En el modo calefacción, la bomba de calor agua-aire absorbe el calor del terreno y, a través de un intercambiador de calor, el refrigerante calienta el aire. Este es dirigido a través de conductos a las diferentes habitaciones en la misma forma que lo haría si la vivienda tuviera aire acondicionado. En el modo de refrigeración, el refrigerante absorbe calor del aire interior que circula por los conductos y a través del serpentín exterior del evaporador, libera calor al agua fría que circula por el tubo en U del pozo perforado en el terreno. Figura 37: Calefacción - refrigeración con bomba de calor agua-aire. Fuente: Centro de investigación de la geotermia. Página54 La bomba de calor agua-aire debe impulsar más volumen de aire que en un sistema normal de aire acondicionado. Por lo tanto, el instalador debe dimensionar adecuadamente los conductos para un mayor caudal de aire y además debe aislarlos acústicamente, por lo menos en los primeros metros y debe colocar además una unión flexible entre la bomba de calor y el conducto principal para evitar vibraciones. El ruido que emite la bomba de calor es bajo, del orden de unos 47 a 60 dB. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Con agua en suelo radiante Está formado por múltiples tuberías de polipropileno embebidas en el suelo de hormigón y separadas en las áreas de las habitaciones, con control independiente de temperatura. Para un correcto funcionamiento de la instalación hay asegurarse de que la diferencia de temperaturas entre el lazo cerrado del pozo y el sistema de distribución del agua caliente sea el adecuado para obtener el máximo rendimiento de la bomba de calor. Cuanto mayor sea la diferencia tanto menor será el rendimiento. Figura 38: Colector suelo radiante.Fuente:www.ansoltec.com Página55 Figura 39: Esquema radiador suelo radiante. Fuente: Catálogo Enertres. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Con radiadores de agua Permite aprovechar los existentes y disponer del apoyo de la caldera de gas natural o gasoil existente. Asimismo, como la bomba de calor no puede calentar agua más allá de 50 °C y los radiadores convencionales trabajan normalmente entre 65 y 70°C, como mínimo, se deduce que si únicamente la bomba de calor alimenta a los radiadores, éstos deberían tener una mayor superficie para tener la misma efectividad. Página56 Figura 40: Esquema radiador de agua. Fuente: Catálogo Enertres. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8. Dirección y ejecución de la unidad de obra 6.1. Manual de instalación y dirección para el arquitecto técnico 6.1.1. Justificación del apartado La gran función del arquitecto técnico como director de ejecución en la obra se centra en mayor medida en el control, para que todo se adecue a la calidad exigida, a las normas de la buena construcción y sobre todo a que se haga una colocación correcta de todo aquello que compone la edificación que debemos dirigir. Independientemente de la magnitud de la obra que estemos ejecutando, debemos conocer cada parte de esta, y lo más importante, saber cómo se ha de realizar, para poder prever los inconvenientes que puedan surgir en el proceso. La energía geotérmica es unos de esos campos en la que la técnica está avanzando. Es un grandísimo desconocido, el cual puede permitir a un Arquitecto Técnico abrirse camino dentro de un mercado cada vez más competitivo y en un campo prácticamente desierto. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página57 Como directores de ejecución debemos estar al día en los continuos avances de las técnicas constructivas, conociéndolas al dedillo, para poder dirigir e ilustrar a los encargados del montaje para una correcta ejecución. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Por este motivo espero que este trabajo, y en especial este capítulo, ayude al Arquitecto Técnico a desenvolverse en este campo. 6.1.2. Trabajos previos Para comenzar debemos conocer a la perfección cada elemento que compondrá la instalación, como ya se explico en el Capitulo 5. 6.1.3. Análisis del proyecto Como en todos los proyectos, existirá una primera fase de análisis, en la que someteremos a examen el proyecto encomendado para conocer las partes de las que se compone y en la que debemos determinar cuándo comenzaran los trabajos de instalación geotérmica y que necesitaremos para su correcta realización. En primer lugar, lo que nos encontraremos como en todos los proyectos que llegan a nuestras manos, es la memoria descriptiva en la cual se nos muestra el destinatario, el titular, situación, etc. En el apartado de los antecedentes se analiza en el caso de un edificio construido: la estructura existente, su actividad, instalaciones existentes. Tanto en edificaciones nuevas como en edificios construidos se estudia la climatología, estratificación del terreno, su conductividad térmica, humedad, etc. De estos datos se obtendremos el tipo de instalación y materiales a emplear. En este apartado ha de estudiarse la ubicación de los colectores, ya sea en el exterior si se dispone de terreno o en el interior del edificio. Así pues podremos atender a distintos tipos de instalación recogidos en el siguiente gráfico: ESTUDIO DE INSTALACIÓN GEOTÉRMICA EDIFICIOS EXISTENTES SIN TERRENO COLECTORES HORIZONTALES SONDAS GEOTÉRMICAS SIN TERRENO LOSAS Y PILOTES ENERGTICOS SONDAS GEOTÉRMICAS CON TERRENO SUFICIENTE LOSAS Y PILOTES ENERGÉTICOS COLECTORES HORIZONTALES Página58 CON TERRENO SUFICIENTE NUEVA EDIFICACIÓN Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.1.3.1. Edificaciones existentes: - Intercambiadores horizontales. Sondas geotérmicas en exterior o en interior. En este tipo de construcciones deberemos atender a dos posibilidades: a) Con terreno suficiente: Si se opta por los intercambiadores horizontales se debe efectuar la excavación de las zanjas para introducir los intercambiadores. Dicha excavación se realizara mediante pala o retroexcavadora. Se extenderá una cama de arena en el fondo de la excavación para colocar sobre esta los intercambiadores. La profundidad rondara los 1,5 m y entre tubos existirá una separación de 50-80 cm. El tipo de tendido puede ser helicoidal, de meandro doble o Tichelmann. Figura 41: Distribución helicoidal, de meandro doble o Tichelmann. Fuente: Autor TFC. Elegir la ubicación de los distribuidores en el punto más alto de la instalación de colector. Los distribuidores pueden ser instalados en arquetas de plástico prefabricadas, de fábrica de ladrillo o de hormigón armado. Extender los tubos, alinearlos y fijarlos con piquetas. Es fundamental respetar los radios de curvatura Una vez cubiertos los tubos con el material excavado o la arena retirar nuevamente las piquetas. Llenar la tubería con el agua gliconada. Barrer las tuberías hasta que queden libres de aire, situando un recipiente abierto debajo de un extremo de las mismas. La prueba de presión de la tubería y de los componentes de la instalación (distribuidor, tuberías de conexión, etc.) se realiza con 1,5 veces la presión de servicio. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página59 Montaje de intercambiadores horizontales, pasos a seguir: Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 42: Colectores para sondas geotérmicas. Fuente: www.ansolec.com Es necesario la colocación de estos colectores para evitar acometer en el cuarto de instalaciones todas las tuberías de los intercambiadores, además de para realizar el equilibrado hidráulico, y para poder comprobar el correcto funcionamiento individual de cada intercambiador geotérmico. Si hubiera algún problema desde aquí se podría desconectar. Desde este punto se conectaran los colectores a la bomba de calor geotérmica. Página60 En el anexo V aparecen planos, creados por el autor de este TFC, de un esquema de instalación con intercambiadores horizontales. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera b) Sin terreno suficiente. Si es el caso de una edificación en la que no se dispone de terreno suficiente para la implantación de colectores horizontales se dispondrán sondas geotérmicas. Estas sondas se instalarán, si disponemos de cierto terreno junto a la edificación en este, o si no se dispone, en sótanos o garajes. La primera opción es al aire libre. El trabajo consiste en la realización de perforaciones en el terreno, que varían en función de la demanda energética. La maquinaria empleada son perforadoras, y su tamaño varía según la profundidad necesaria. En obra deberemos de disponer de accesos para la entrada y salida de maquinaria de perforación, así como de espacio necesario a la hora de perforación. Se deberán replantear en el terreno la ubicación de las sondas, a fin de tener localizadas las mismas. La distancia de separación entre sondas no será inferior a 6 metro, y entre sondas y edificio 2 metros. Atenderemos especialmente a las canalizaciones que pudieran existir de saneamiento, gas, electricidad,… a fin de no producir averías en las mismas a la hora de la perforación. Se mantendrá una distancia con estas instalaciones de 70cm mínimo. Una vez realizada la perforación se introduce la sonda que podrá se de U o doble U. Para facilitar la introducción se le colocara un lastre en el extremo y posteriormente se rellena la canalización, según el tipo de terreno, con grava fina o una lechada de bentonita-cemento. A la hora del relleno se intentar realizar el vertido de tal forma que se eviten la creación de bolsas de aire que interrumpan la conductividad térmica del aislante. Para el relleno de la excavación se introducirá junto con la sonda una tubería de llenado. La conexión con el colector se realizara en el punto más alto de la instalación, y se colocara un dispositivo de desairación. Antes de desenrollarlas, comprobar si las bobinas presentan desperfectos. Cargar la sonda en el dispositivo desbobinador o extenderla. En caso necesario fijar el lastre o el elemento auxiliar para la introducción en el pie de la sonda Llenar la sonda con agua, para que ésta no ascienda. Introducir la sonda junto con el tubo de llenado en el pozo. Descender la sonda y el tubo de llenado completamente dentro del pozo. Realizar la prueba de presión y de flujo de la sonda llena de agua. Rellenar completamente el intersticio anular del pozo. Realizar la prueba final de funcionamiento de la sonda geotérmica llena de agua, aplicando una presión de mín. 6 bar Empalmar las sondas a las tuberías de conexión. Conectar dichas tuberías al distribuidor ubicado en el punto más alto de la instalación. Purgar la instalación con el medio caloportador ya mezclado. Barrer las tuberías hasta que ya no contengan aire, colocando un recipiente debajo de un extremo de las mismas. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página61 Montaje de sondas geotérmicas, pasos a seguir: Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Realizar una prueba de presión final del sistema en su conjunto, aplicando 1,5 veces la presión de servicio. Figura 44: Máquina perforadora para sondas. Fuente: Autor del TFC. Disposición de las perforaciones para sondas: Como se ha mencionado anteriormente, la distancia mínima entre sondas deberá ser 6m para que la influencia mutua sea baja y se asegure la regeneración en verano. Si se requieren varias sondas, estas deberán colocarse perpendicular a la dirección en que fluya el agua subterránea. La distancia respecto a la edificación será de 2m. SENTIDO DE FLUJO DE AGUA SUBTERRÁNEA SONDA 1 6 M MÍNIMO SONDA 2 6 M MÍNIMO SONDA 3 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica Página62 Figura 45: Distancia mínima entre sondas geotérmicas. Fuente: Autor del TFC. UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera La siguiente imagen muestra la sección transversal de una sonda doble uve. En este tipo de sonda se realiza primero una perforación con el radio r1. Se introducen después cuatro tubos de sonda y uno de llenado con una mezcla de hormigón y bentonita. El fluido de la sonda desciende a través de dos tubos de sonda y luego asciende nuevamente a través de otros dos. En la parte inferior, los tubos están unidos a una cabeza de sonda, de tal modo que se produce un circuito cerrado. Figura 46: Sección transversal sonda doble uve. Fuente: Autor del TFC. Página63 En el anexo V aparecen planos, creados por el autor de este TFC, de un esquema de instalación con sondas verticales. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.1.3.2. Edificaciones nuevas: En este tipo de situaciones se estudiara en la fase de ejecución del proyecto la instalación más conveniente. - Pilotes energéticos. Colectores horizontales en el interior de losas. Intercambiadores horizontales. Sondas geotérmicas en exterior y en interior. a) Con terreno suficiente Este supuesto es el más idóneo, puesto que con suficiente espacio alrededor de la edificación podemos adoptar cualquier variable existente en instalaciones geotérmicas. Los pilotes energéticos no distan mucho de una instalación de sondas geotérmicas. La dificultad de este sistema radica en la resistencia de los tubos así como en los reducidos radios de curvatura que admiten los materiales. La disposición de los intercambiadores en el interior del pilotaje puede ser formando meandros en vertical o hacer un tendido del intercambiador en forma de sonda de U. Meandros en vertical: Los tubos se tienden dentro de la jaula de armadura formando bucles de tubo sin fín con forma de meandros. Este tipo de tendido presenta ventajas, sobre todo de simplicidad de montaje. La conexión de los ramales de impulsión y de retorno a la red de tuberías se efectúa en la cabeza del pilote. Figura 48: Sondas en pilote en forma de meandro. Furente: Catalogo Caleffi Página64 Sonda en U: Los tubos se tienden en forma de U dentro de la jaula de armadura. Esta modalidad de tendido de los tubos presenta ventajas, sobre todo relacionadas con la desaireación de las tuberías. La conexión de los ramales de impulsión y retorno a la red de tuberías se efectúa en la cabeza del pilote. Figura 49: Sondas en pilote en forma de U. Furente: Catalogo Caleffi Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Montaje de pilotes energéticos, pasos a seguir: Tendido de las tuberías en forma de meandros dentro de la jaula de armadura. El tendido de los tubos se efectúa en sentido longitudinal dentro de la jaula de armadura. La fijación mediante unión positiva de los tubos se realiza a la armadura y en las zonas de cambio de dirección de los tubos por medio de conectores para mallazo de pilote energético a intervalos de 0,5 m. Colocar un tubo protector sobre las tuberías en la zona de la cabeza del pilote. Fijar y cortar las tuberías. Identificar las tuberías. Las tuberías de conexión se cortan en la cabeza del pilote y se aplica tubo protector sobre las mismas. Se lleva a cabo la identificación del pilote energético con arreglo al proyecto de montaje. Montar la unidad para pruebas de presión. Aplicar una presión de prueba de 6 bar. Montar una unidad para pruebas de presión en los extremos, intercalando una reducción con manómetro. Aplicar una presión de prueba de 6 bar y registrar dicha presión de prueba en un protocolo. Poner en obra del hormigón Realizar una 2ª prueba de presión tras la puesta en obra del hormigón Conectar las tuberías a los tubos distribuidores Registrar en un protocolo la presión de prueba aplicada tras la puesta en obra del hormigón. Los pilotes energéticos se pueden conectar directamente a las tuberías de distribución o a los distribuidores del circuito de calefacción o de refrescamiento. Página65 En el anexo V aparecen planos, creados por el autor de este TFC, de un esquema de instalación con intercambiadores horizontales con pilotes energéticos. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Los intercambiadores horizontales en el interior de losa se ejecutaran del mismo modo que los pilotes energéticos, pero en posición horizontal. b) Sin terreno suficiente. En estas circunstancias los tipos de instalaciones que podemos efectuar son: - Pilotes energéticos.(Explicado anteriormente) Intercambiadores horizontales en el interior de losas.(Explicado anteriormente) Sondas geotérmicas en interior. La ejecución de sondas geotérmicas en el interior se realiza del mismo modo que en el exterior. Se tendrá que tener en cuenta el acceso de la maquinaria al sótano, planta baja o garaje en el cual se realizaran los sondeos. Una vez ejecutados los sondeos y colocado los intercambiadores las sondas se derivan de igual forma que el sonde anteriormente explicado, a un colector geotérmico. Página66 Figura 51: Colocación de sondas geotérmicas. Fuente: www.geotermiasolar.net Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.1.3.3. Componentes para instalaciones COLECTOR DE DISTRIBUCIÓN COLECTOR PORTAINSTRUMENTOS UNIDAD DE CONTROL BOMBA DE CALOR a) Colector de distribución 1 2 3 4 5 6 7 Figura 52: Despiece de colector de distribución. Fuente: Catálogo enertres. El colector geotérmico se compone de: Ruiz Pagán, Pablo 1- válvulas automáticas de purga de aire. 2- termómetros Ø 80 mm. 3- grifos de carga y descarga. 4- colectores de ida y retorno. 5- tapones de cabecera con aislamiento. 6- soportes murales. 7- tacos de fijación a la pared. Escuela de Arquitectura Técnica Página67 - UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera El colector de distribución, totalmente componible, está diseñado para que pueda montarse en banco y fijarse después a soportes murales. Esta característica también facilita la preparación de los intercambiadores y su conexión al colector. El colector es modular para que pueda adaptarse a viviendas de pequeñas dimensiones. Los módulos están específicamente diseñados para limitar los fenómenos de condensación. El fluido queda aislado del exterior por una cámara de aire. Los módulos se compactan entre sí mediante dos tapones de cabecera realizados en latón y cuatro tirantes, con una junta intermedia que aísla el canal de paso de agua y las cámaras de aire. Las conexiones del colector se pueden hacer a la izquierda o a la derecha, según la posición de los intercambiadores respecto a la bomba de calor. b) Dispositivos de corte y equilibrado 2 3 4 5 6 Figura 53: Despiece de colector de distribución. Fuente: Catálogo enertres 1- Válvula de corte de esfera con posibilidad de integrar un sensor de medición del caudal. 2- Aislamiento para válvulas de corte. 3- Sensor integrable para medición del caudal. 4- Palanca de mando para válvulas de corte. 5- Válvula de equilibrado con caudalímetro. 6- Aislamiento para válvulas de equilibrado. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página68 1 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera c) Colector porta instrumentos Figura 54: Despiece de colector de instrumentos. Fuente: Catálogo enertres El grupo está compuesto por: Figura 55: Despiece de colector de instrumentos y situación bomba calor. Fuente: Catálogo enertres. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página69 BOMBA DE CALOR INTERCAMBIADOR GEOTÉRMICO BOMBA DE CALOR 1) Válvula automática de purga de aire. 2) Dos vainas de 1/2” para sondas de temperatura. 3) Desfangador con válvula automática de purga de aire y grifo de descarga. 4) Colector portainstrumentos en cobre. 5) Grifo automático de corte para vasos de expansión. 6) Válvula de seguridad con descarga orientable. 7) Grifos de carga y descarga. 8) Vaso de expansión. 9) Placa de anclaje (fondo de la caja de alojamiento) con soportes. 10) Manómetro según normas I.S.P.E.S.L. 11) Presostato de mínima homologado por el I.S.P.E.S.L. 12) Dos válvulas de corte con palanca larga para facilitar el uso en presencia de aislamiento. 13) Dos termómetros. 14) Tubo flexible para conexión al vaso de expansión. 15) Carcasa aislante preformada. 16) Presostato de seguridad (opcional). 17) Flujostato (opcional). Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.2. Listas de chequeo para la ayuda en la dirección de la ejecución Una vez analizado y estudiado con detalle el proyecto que nos ha sido asignado, tendremos que comenzar con el trabajo real de obra, en la que entablaremos una relación con la dirección de obra, constructores, propiedad, etc. La realización de una instalación geotérmica no entabla demasiada complejidad, no obstante el control no debe descuidarse, y por ello he decidido incluir unas listas de chequeo de la instalación. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4. Listas de chequeo generales. Lista de chequeo para intercambiadores horizontales. Lista de chequeo para sondas geotérmicas. Lista de chequeo para pilotes energéticos. 6.2.1. Listas de chequeo generales: LISTA DE CHEQUEO ANÁLISIS DEL PROYECTO Nº1 CORRECTO INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA CORRECTO INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA Disponemos de toda la documentación necesaria para ejecutar la instalación. Nos han sido facilitados todos los planos necesarios para la ejecución. Cumple la instalación con la normativa de aguas. Cumple la instalación con la normativa de minas. Quedan perfectamente descritos y detallados los procesos de la unidad de obra. Se corresponden los planos con la realidad (huecos en forjado, volúmenes, etc). Tenemos los medios necesarios para trabajar con seguridad. Nos hemos reunido con la dirección facultativa para resolver las dudas. Acordamos un día, a poder ser semanal, para reunirnos con la dirección facultativa e instalador. LISTA DE CHEQUEO RECOPILACIÓN Y ACOPIO DE LOS MATERIALES Nº2 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica Página70 Están definidos los materiales a emplear. Las fichas técnicas se corresponden con el proyecto. Están ubicadas las zonas de acopios. Es accesible el lugar de acopio. Los acopios estarán protegidos de los agentes atmosféricos. Es correcto el traslado de los materiales desde el lugar de acopio al tajo. Está previsto el sistema de retirada de material sobrante. UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera LISTA DE CHEQUEO LIBRO DEL EDIFICO Nº3 CORRECTO INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA Se han entregado los planos necesarios para que el usuario conozca perfectamente los lugares por donde discurren las instalaciones. Se dispone de manual de uso. Se ha realizado demostración de funcionamiento al usuario. LISTA DE CHEQUEO COLECTOR DE DISTRIBUCION, DISPOSITIVOS DE CORTE Y EQUILIBRADO CORRECTO INCORRECTO Nº4 CONSULTAR D. OBRA Página71 Válvulas automáticas de purga de aire. Termómetros Ø 80 mm. Grifos de carga y descarga. Colectores de ida y retorno. Tapones de cabecera con aislamiento. Soportes murales. Etiquetas de sentido de flujo e identificación de los circuitos. Tacos de fijación a la pared. Válvula de corte de esfera con posibilidad de integrar un sensor de medición del caudal. Aislamiento para válvulas de corte. Sensor integrable para medición del caudal. Palanca de mando para válvulas de corte. Válvula de equilibrado con caudalímetro. Aislamiento para válvulas de equilibrado. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera LISTA DE CHEQUEO COLECTOR PARA INSTRUMENTOS Nº5 CORRECTO INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA Válvula automática de purga de aire. Dos vainas de 1/2” para sondas de temperatura. Desfangador con válvula automática de purga de aire y grifo de descarga. Colector portainstrumentos en cobre. Grifo automático de corte para vasos de expansión. Válvula de seguridad con descarga orientable. Grifos de carga y descarga. Vaso de expansión. Placa de anclaje (fondo de la caja de alojamiento) con soportes. Manómetro según normas I.S.P.E.S.L. Presostato de mínima homologado por el I.S.P.E.S.L Dos válvulas de corte con palanca larga para facilitar el uso en presencia de aislamiento. Dos termómetros. Tubo flexible para conexión al vaso de expansión. Carcasa aislante preformada. Presostato de seguridad (opcional) Flujostato (opcional). 6.2.2. Listas de chequeo para intercambiadores horizontales: LISTA DE CHEQUEO INTERCAMBIADORES HORIZONTALES Nº6 CORRECTO INCORRECTO Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica Página72 Acopio de material. Creación de accesos para maquinaria. Limitar zona de trabajo y restringir accesos. Replanteo de circuito de instalación Replanteo de arquetas. Replanteo de pasamuros. Excavación de zanjas no superior a 1,2 m. Revisión de material antes de su uso. Colocación de intercambiadores geotérmicos Sistema de colocación de Helicoidal tendido De meandro doble Tichelman Separación entre intercambiadores de 50-80 cm Instalación arquetas Prefabricada. De fábrica. Hormigón armado. Comprobación de uniones Distribuidores colocados en el punto más alto de la instalación. Conexión de los intercambiadores al colector. Cobertura con terreno adecuado. Desaireación de los intercambiadores. Prueba de presión a 1,5 veces la presión de servicio. CONSULTAR D. OBRA UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 6.2.2.1. Lista de chequeo para sonda geotérmica. LISTA DE CHEQUEO SONDA GEOTÉRMICA Nº6 CORRECTO INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA Página73 Acopio de material. Creación de accesos para maquinaria. Limitar zona de trabajo y restringir accesos. Replanteo de Separación minima 6m entre sondas sondas geotermias. Separación entre sonda y edificio Distancia de 70 cm con otras instalaciones Replanteo de arquetas. Replanteo de pasamuros. Tipo de sonda De U De doble U Perforación de sonda con maquina perforadora. Se han colocado el lastre en el extremo de la sonda Se han realizado correctamente las soldaduras Relleno Grava Bentonita-cemento Introducción de tubería de llenado junto con la sonda Comprobar estado de las bobinas antes de desenrollar Instalación arquetas Prefabricada. De fábrica. Hormigón armado. Ninguna Llenado de la sonda con agua para evitar su ascensión Prueba de presión con sonda llena de agua Relleno de pozo Prueba de sonda a 6 bar Empalme de sondas con colector Purga de instalación Prueba final a 1,5 veces la presión de servicio 6.2.3. Lista de chequeo para pilotes energéticos: Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera LISTA DE CHEQUEO PILOTES ENERGÉTICOS Nº6 CORRECTO INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA Acopio de material. Creación de accesos para maquinaria. Limitar zona de trabajo y restringir accesos. Excavación de pilotes, según proyecto. Tipo de Meandro en vertical intercambiador En U Resistencia de intercambiador corresponde con la del proyecto Se respetan los radios de curvatura de los intercambiadores Replanteo arqueta de registro. Tendido de tubería dentro de la jaula en sentido longitudinal Fijación a armadura a 0,5 m Tubo protector en zona de cabeza del pilote Identificar tuberías Prueba a 6 bar del intercambiador y registrar dicha prueba Vertido de hormigón 2º prueba tras vertido y registro de prueba. Instalación arquetas Prefabricada. De fabrica. Hormigón armado. Ninguna. Conexión de intercambiador a colector. Lo más importante en este apartado será hacer el seguimiento de la ejecución con profesionalidad y rigor. 6.2.4. Mantenimiento Al margen del tipo de contrato de mantenimiento y otros acuerdos establecidos entre la empresa instaladora y el usuario (propietario) de la instalación geotérmica, es recomendable establecer, al menos, un par de visitas programadas a la instalación, previas al inicio del periodo estival e invernal. En estas visitas el técnico debe cerciorarse que la instalación se usa y funciona correctamente, y comprobar que todo funciona solidariamente, sin perjuicio de ninguna parte. Página74 El técnico se asegurara que el instalador realiza, al menos una vez al año, una comprobación exhaustiva del estado de la instalación, a fin de detectar algún defecto o envejecimiento prematuro que pueda afectar negativamente al buen funcionamiento de todo el sistema de calefacción y distribución de ACS. En caso de no acordar con el instalador las revisiones, será el técnico el que deba realizar las comprobaciones y emitirá un dictamen sobre el estado de la instalación. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera A su vez el técnico se cerciorará que el uso es el establecido por el fabricante es el que se está llevando a cabo por parte del usuario. Página75 Se comprobaran que funcionan todas las medidas de seguridad, haciendo saltar el cuadro general de automáticos para comprobar que la instalación se para. Si no fuera así se avisara al instalador para que proceda al cambio o reparación del cuadro, pues podría estar defectuoso. Se revisara cada conducto para comprobar que no padece de perdidas, que permanecen con sus aislamientos y que el estado de envejecimiento es el apropiado. De los colectores comprobaremos que no se han edificado sobre estos, o que no están sometidas a cargas. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 7. Control de recepción de los productos y control de ejecución de la obra Entre nuestras obligaciones se cita la de verificar la recepción en obra de los productos de construcción, ordenando la realización de ensayos y pruebas precisas y la de dirigir la ejecución material de la obra comprobando los replanteos, los materiales, la correcta ejecución y disposición de los elementos constructivos y de las instalaciones, de acuerdo con el proyecto y con las instrucciones del director de obra, así como colaborar con los restantes agentes en la elaboración de la documentación de la obra ejecutada, aportando los resultados del control realizado . Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página76 Posiblemente este sea uno de los apartados más importantes para de director de ejecución, ya que la LOE designa al arquitecto técnico como el responsable de dicho control. En el artículo 13 de la Loe se define al arquitecto técnico como “el director de ejecución de obra” y es por ello que asumimos la función técnica de dirigir la ejecución material de la obra y de controlar cualitativamente y cuantitativamente la construcción y la calidad de lo edificado. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera El control de recepción de materiales atiente al siguiente esquema: CONTROL DE LA DOCUMENTACION DE LOS SUMINISTROS DOCUMENTOS DE IDENTIFICACION DEL PRODUCTO CONTROL DE RECEPCION EN OBRA DE PRODUCTOS, EQUIPOS Y SISTEMAS CONTROL DE RECPCION MEDIANTE DISTINTIVOS DE CALIDAD Y EVALUACIONES DE IDONEIDAD TECNICA VERIFICAR SI ES SUFICIENTE PARA ACEPTAR CONTROL DE LA EJECUCIÓN DE LA OBRA CONTROL DE RECEPCION MEDIANTE ENSAYOS SEGUN REGLAMENTACION, PROYECTO O DF CONTROL DE LA OBRA TERMINADA DOCUMENTACION QUE SE INCLUIRA EN EL LIBRO DEL EDIFÍCIO Figura 56: Esquema de control de recepción de materiales. Fuente: Autor del TFC. 7.1. Control de la ejecución de la unidad de obra Preparación de la base: Estabilidad Geometría y regularidad Limpieza Control previo de los métodos de ejecución: Aprobación de procedimientos Cualificación de la mano de obra Control del replanteo: Ubicación, espesor de las distintas capas, niveles, pendientes, huecos, etc. Control de las medidas de seguridad y disposición de los medios y elementos auxiliares: Medidas de seguridad generales y específicas Disposición y adecuación de andamios Medios de transporte de los materiales Control del proceso de ejecución: Materiales utilizados. Espesor y tipo de fábrica, espesor y macizado de juntas, nivel de las hiladas, aparejo, planeidad, desplome, etc. Dimensiones cámaras y colocación capas intermedias, enjarjes en encuentros y esquinas, comprobación de elementos complementarios. Aplomado, enrasado, anclaje, productos de sellado. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página77 Control de las condiciones ambientales: Humedad relativa, temperatura, soleamiento, lluvia, viento superior a 50 km/h, etc. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Control de la unidad acabada: Aplomado general Alineamientos Remates, acabados etc. 7.2. Control de ejecución de la unidad de obra termina Al concluir la instalación se realizara el control de ejecución de la unidad acabada sometimientos a la instalación a las pruebas referidas en el capítulo anterior, según el tipo de instalación del que se trate. Como encargados del programa de control se establece a continuación los apartados sobre los que realizar el control de recepción de las diferentes unidades de obra: PROGRAMA DE CONTROL CONTROL DE MATERIALES CONTROL DE LA OBRA TERMINADA CONTROL DE LA EJECUCIÓN PREPARACION DE LA BASE CONTROL DOCUMENTAL CONTROL DE LOS METODOS DE EJECUCIÓN CONTROL VISUAL CONTROL DEL REPLANTEO CONDICIONES DE TRANSPORTE, DESCARGA, ACOPIO Y ALMACENAMIENTO CONTROL DE ENSAYOS SI FUERA NECESARIO, AL NO DISPONER DE MARCADO CE CONTROL DE SEGURIDAD Y DISPOSICION DE LOS MEDIOS AUXILIARES CONTROL DE CONDICIONES AMBIENTALES CONTROL DEL PROCESO DE EJECUCIÓN CONTROL DE LA UNIDAD ACABADA Página78 Figura 57: Esquema de control para la unidad de obra. Fuente: Autor del TFC. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8. Propuesta de instalación geotérmica A continuación realizare un estudio económico de una vivienda aislada situada en La Manga del Mar Menor. El estudio constara de tres supuestos de instalación geotérmica, mediante pilotes energéticos, sondas geotérmicas, colectores enterrados. 8.1. Memoria descriptiva de la vivienda El edificio al que vamos aplicar el presente proyecto consiste en una vivienda unifamiliar tipo aislada construida en una parcela de 372,6m2. Figura 58: Situación geográfica de la vivienda unifamiliar. Fuente: google.maps Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página79 Se encuentra situada en Cabo de Palos, en el término municipal de Cartagena. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Figura 59: Situación de la vivienda unifamiliar en la Cabo de Palos. Fuente: google.maps Página80 Figura 60: Situación de la vivienda unifamiliar en Cabo de Palos. Fuente: google.maps Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera La distribución de la vivienda es de la siguiente forma: Planta baja: Salón Porche Cocina-comedor Escalera acceso a sótano y planta primera Dormitorio Aseo Baño Planta primera: Dos terrazas Dos dormitorios Un baños Un estudio Planta sótano: la vivienda cuenta con un sótano accesible desde el exterior de la vivienda. Se utiliza de garaje, despensa y cuarto de maquinas. Cuadro de superficies de la vivienda. ÚTILES TOTAL SÓTANO 12,25 m2 10,90 m2 11,60 m2 4,80 m2 4,30 m2 43,85 m2 TOTAL VIVIENDA + SOTANO TOTAL TERRAZAS TOTAL ÚTILES 208,53 m2 34,99 m2 243,52 m2 ÚTILES 93,85 m2 ÚTILES PLANTA BAJA Salón Cocina-comedor Dormitorio Aseo Baño Paso a sótano Paso a planta primera TOTAL PLANTA BAJA 24,85 m2 16,75 m2 14,74 m2 5,50 m2 6,88 m2 1,08 m2 1,08 m2 70,88 m2 ÚTILES TERRAZAS Porche Terraza este Terraza oeste Terraza descubierta TOTAL TERRAZAS 5,33 m2 9,98 m2 18,21 m2 1,47 m2 34,99 m2 Página81 PLANTA PRIMERA Dormitorio 1 Dormitorio 2 Estudio Baño Paso TOTAL PLANTA PRIMERA Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.2. Memoria constructiva de la vivienda Describimos a continuación los elementos constructivos de la vivienda que afectan a la realización del presente proyecto. Cimentación y estructura Cimentación formada por losa de hormigón armado. Y la estructura a base de pilares de hormigón armado, vigas y zunchos. La vivienda se ha construido sobre losa y la estructura la componen pilares de hormigón armado y forjado unidireccional de viguetas prefabricadas. Figura 62: Detalle de encuentro entre muro de contención y forjado. Fuente: banco de detalles constructivos CYPE. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página82 Figura 61: Detalle de arranque de muro en losa de cimentación. Fuente: banco de detalles constructivos CYPE. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Cubiertas Tanto las terrazas como el patio interior son transitables, con acabado de baldosas antideslizantes. 1. Forjado de hormigón armado y viguetas (30 cm). 2. Hormigón celular para formación de pendientes (12 cm). 3. Lámina impermeable modificado lbm-40 (1cm). de betún 4. Aislamiento poliestireno extruido (5 cms). 5. Capa de regularización para colocación de pavimento (2cm). 6. Solado de gres para exteriores (2cm). Figura 63: Detalle terraza planta primera. Fuente: Apuntes de construcción UPCT. Albañilería Toda la tabiquería interior se realizará con fábrica para revestir, de 7 cm de espesor. 1. Revestimiento pétreo transpirable. 2. Enfoscado de mortero mixto de cal (1,5 cm). 3. Ladrillo cerámico hueco 24 x 11,5 x 11 cm. 4. Aislamiento térmico y acústico de paneles napa (4 cm). Figura 64: Cerramiento fachada exterior. Fuente: apuntes de construcción UPCT. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página83 5. Tabicón de termoarcilla (14 cm).6. Tendido de yeso proyectado (1,5 cm). Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Revestimientos continuos Enlucido de yeso en zonas interiores enlucido de yeso de 1.5 mm de espesor. Los cerramientos exteriores, superficies vertical y horizontal de garaje, bóveda de escalera, y antepechos de cubierta están revestidos con enfoscado de mortero de cemento. Falso techo de escayola en baños, cocina y distribuidores. Alicatados y chapados Los baños y cocinas con azulejo cerámico, combinados en los baños con cenefas perimetrales en ambos casos. Pavimentos La vivienda está pavimentada con baldosas de gres. Las zonas húmedas también con pavimento de gres. Las terrazas con baldosas de gres antideslizante para exterior. Carpintería exterior En salón y dormitorios está realizada de aluminio lacado, con persiana incorporada sistema monoblock. Las ventanas son correderas y abatibles, y las balconeras correderas de doble hoja. La puerta de acceso a cada vivienda será de chapa metálica, prensada e inyectada con cerradura de seguridad. Carpintería de madera Las puertas de paso interior están realizadas de tablero aglomerado y ciegas, excepto en la cocina que tiene una parte acristalada. Fontanería, aparatos sanitarios y grifería Toda la red de distribución de agua caliente y fría de la vivienda esta realizada con tubería de polietileno reticulado. La red principal de evacuación y pluviales se compone de bajantes y colectores de polietileno de alta resistencia. Instalación eléctrica La instalación eléctrica de la vivienda dispone de una caja general de protección (C.G.P.) situada junto a la valla del límite de la parcela. Desde estas cajas parte la línea repartidora a la vivienda hasta llegar a la caja de distribución. La instalación interior de las viviendas está realizada mediante conductores aislados bajo tubos protectores empotrados en tabiques, techos, muros y cielo raso de la vivienda. Cuenta con un grado de electrificación elevado de 9.200 W y ocho circuitos. Instalaciones de telecomunicación La vivienda dispone de instalación completa de radio y televisión terrestre individual, mediante la colocación de antenas de recepción de TV y teléfono. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página84 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Pinturas Las paredes y techos interiores están pintados con pintura lisa transpirable y los exteriores con revestimiento pétreo liso para exteriores. Los elementos exteriores de cerrajería acabados con esmalte sobre capa de imprimación. Vidrios Página85 El acristalamiento de todas las carpinterías exteriores esta realizado con doble vidrio aislante tipo climalit 4/8/4. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.3. Cálculo de la demanda energética 8.3.1. Climatización a) Punto de confort El confort o bienestar climático depende de factores ambientales y personales. La norma ISO 7730 lo define como “aquella condición de la mente humana que expresa satisfacción con el ambiente térmico”. Debe haber un equilibrio entre el calor producido y el perdido por el cuerpo, con lo cual depende de muchos factores: temperatura, presión, viento, humedad, actividad y vestuario. Los factores ambientales son el caudal de aire (viento), la temperatura y la humedad del aire y la radiación (solar o de objetos calientes próximos). Las combinaciones de los parámetros ambientales anteriores que no generen estrés en el cuerpo humano se conocen como confort climático. Figura 65: Zona de confort o bienestar. Fuente: Modelo de Olgyay. En tiempo caluroso, el cuerpo humano debe eliminar calor para mantener su equilibrio térmico. La evaporación de humedad desde la piel es un factor importante en este equilibrio y el efecto de refrigeración que se produce depende de la humedad del aire (cuanto más alta, la refrigeración disminuye) y del vestido, que si es grueso va a dificultar el flujo de aire de evaporación. El objetivo de una buena climatización es conseguir unas condiciones ambientales saludables y adecuadas que además no conlleven un gasto energético innecesario. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página86 En el caso contrario, en condiciones de frío, el cuerpo debe reducir la pérdida de calor, protegiéndose del viento o aumentando la producción de calor, por ejemplo, mediante ejercicio físico. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Las condiciones internas de confort que se adoptaremos serán las recomendadas por el RITE. PARAMETROS Temperatura operativa en verano (°C) Humdad relativa en verano (%) Temperaturaoperativa en invierno (°C) Humedad relativa en invierno (%) Velocida admisible con difusión por mezcla (m/s) LIMITE 23 ≤ T ≤ 25 45 ≤ T ≤ 60 21 ≤ T ≤ 23 40 ≤ T ≤ 50 V ≤ 0.14 Figura 66: Tabla de calidad ambiental. Fuente: RITE IT 1.1.4.1 b) Necesidades de refrigeración Para la estimación de las cargas de refrigeración necesarias en nuestra vivienda hemos utilizado una hoja de cálculo que se basa en que la ganancia de calor de una habitación o edificio depende de los siguientes parámetros: - Tamaño del área a enfriar. - Tamaño y posición de las ventanas, y si están a la sombra. - Número de ocupantes. - Calor generado por el equipo y la maquinaria. - Calor generado por la iluminación. Se calcula la carga de refrigeración de cada componente en las habitaciones, multiplicándolo por un factor determinado según la temperatura exterior máxima de la zona, y se suman todas para obtener la carga total expresada en kW. La hoja de cálculo que hemos utilizado esta pre-dimensionada con factores adecuados a diferentes temperaturas máximas exteriores comprendidas entre 32 y 43°C. Debemos elegir la columna de factores que más se adapta a la temperatura exterior en nuestra vivienda. Para ello he consultado en la página web de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) los datos de la estación meteorológica situada en San Javier, que nos mostrara una visión bastante segura de la caracterización climatológica de nuestra zona, ya que la situación es muy similar. En la siguiente tabla se observamos un ejemplo de cómo se realiza el cálculo de dimensionado de cargas térmicas de refrigeración necesaria en el salón. Los cálculos del resto de habitaciones de la vivienda pueden consultarse en el anexo 2. Hay que decir que la tabla está realizada tomando como base unos valores medios adecuados a la mayoría de viviendas convencionales (en cuanto a construcción y tipo de materiales empleados), por lo que puede ser que no sean completamente exactos, Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página87 Consultando las temperaturas máximas absolutas en los meses de Julio y Agosto registradas en la zona durante los últimos 25 años, tomamos como referencia la media, que se corresponde con 34,5°C, una temperatura que se supera a menudo en el mes de Julio. Elegimos entonces la columna de factores correspondientes a la temperatura de 35°C, que es la más próxima a nuestra media. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera aunque tratándose de instalaciones de pequeñas dimensiones no se produce una excesiva diferencia con los resultados obtenidos realizando cálculos más complejos. Únicamente debemos introducir en la columna “Cantidad” los valores que se correspondan a la habitación de nuestra vivienda que queremos dimensionar. La tabla realiza la multiplicación por los factores correspondientes a la temperatura exterior dado como resultado las cargas térmicas producidas por cada apartado. La suma de los diferentes apartados dará como resultado la carga total de refrigeración necesaria en esa estancia. La suma de los resultados obtenidos en las diferentes estancias nos da como resultado la carga total de refrigeración necesaria en la vivienda y los resultados se expresan en frigorías/hora y W. (1 frigoría/h = 1,157 W) A continuación se muestra un resumen de las cargas de refrigeración resultantes del cálculo de toda la vivienda. CANTIDAD FACTOR DORMITORIO PRINCIPAL ZONA NORTE 32 35 2 1- Suelo 2- Volumen de la habitación 3- Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, la que de él mayor resultado) SóE SO O NO ó SE 4-Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 5- Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) 6- Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores 7- Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) Techo con espacio sin acondicionar 8- Tejado o techo (Usar solo uno GRADOS DE DISEÑO EXTERIOR 14, 74 m 2 38, 33 m 2 3,5 m 38 41 43 8 13 19 25 115 120 5 135 150 165 210 220 230 240 260 285 155 30 300 165 40 315 175 55 330 190 70 345 205 85 22,4 6 117,9 191,65 420 2 10,4 m 2 30 36 45 50 57 374,4 11,7 m 2 17 25 37 45 55 292,5 18.98 m 2 8 11 17 21 25 208,78 14,74 m 2 6 8 13 19 25 117,92 22 8 27 8 35 11 40 11 45 14 46 53 59 66 72 Sin aislamiento 50 mm o mas de aislamiento Tejado sin aislamiento Incandescentes y equipos Fluorescentes ZONA SUR 0,56 m techo 9- Personas 10- Luces y equipos eléctricos en uso CENTRO FRIGORIAS /h 2 80,00 W 120 0,86 240 68,8 50,00 W 1,0625 53,125 2111 Página88 Carga de refrigeración total Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera HABITACIÓN DORMITORIO PPAL DORMITORIO 1 DORMITORIO 2 ESTUDIO COCINA-COMEDOR SALON TOTAL FRIGORÍAS 2111 1773 2424 1309 2352 2699 WATIOS 12.668 14.657 Figura 67: Resumen de cargas de refrigeración de la vivienda. Fuente: Autor del TFC. Página89 Obtenemos como resultado que la potencia necesaria para refrigerar la vivienda debe ser de 15 kW. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera c) Necesidades de calefacción Para determinar las cargas térmicas de calefacción hemos utilizado una hoja de cálculo similar a la utilizada en para obtener las cargas de refrigeración. Se tienen en cuenta los parámetros relativos a superficie, volumen, ventanas y paredes expuestas, personas y elementos eléctricos que pueden afectar al ambiente. El método de actuación es idéntico al del cálculo de refrigeración. Las diferentes columnas de factores se corresponden con los determinados para diferente zonas climáticas con temperaturas mínimas comprendidas entre los -6 y 6°C. Consultamos nuevamente los datos históricos de temperaturas de los últimos 25 años tomados por la estación meteorológica de san Javier y obtenemos como resultado que la media de las temperaturas mínimas absolutas en los meses de invierno es de – 0,5ºC. Tomamos por lo tanto como buenos para nuestro cálculo los factores de la columna correspondiente a 0 ºC. SóE SO O NO ó SE 4-Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 5- Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) 6- Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores 7- Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) Techo con espacio sin acondicionar 14,74 m 2 38,324 m 2 3,5 m ZONA SUR -6 -3 0 3 6 6 8 19 25 150 240 330 190 70 165 260 345 205 85 31 115 210 285 155 30 120 220 300 165 40 13 5 135 230 315 175 55 10,4m 2 30 36 45 50 57 468 11,7m 2 17 25 37 45 55 433 18,98m 2 8 11 17 21 25 323 14,74m 2 6 8 13 19 25 192 22 8 27 8 35 11 40 11 45 14 46 53 59 66 72 GANANCIAS TERMICAS 2 Incandescentes y 80,00 50,00 120 0,86 - 240 - 69 1,0625 - 54 Carga de calefacción total Ruiz Pagán, Pablo 192 473 2 Sin aislamiento 50 mm o mas de aislamiento Tejado sin aislamiento equipos Fluorescentes CENTRO 0,56m techo 9- Personas 10- Luces y equipos eléctricos en uso KCAL / h ZONA NORTE 2 1- Suelo 2- Volumen de la habitación 3- Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, la que de él mayor resultado) 8- Tejado o techo (Usar solo uno GRADOS DE DISEÑO EXTERIOR Escuela de Arquitectura Técnica Página90 DORMITORIO PRINCIPAL CANTIDAD FACTOR 1749 UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera En este caso se puede observar como los puntos 9 y 10 producen resultados que se restan a los anteriores. Esto se debe a que tanto las personas, como las luces y otros equipos eléctricos aportan calor al ambiente, es decir, están produciendo unas ganancias térmicas, por lo que se tienen en cuenta con símbolo negativo respecto a las anteriores. A continuación se muestra un resumen de las cargas de calefacción resultantes del cálculo de toda la vivienda. El cálculo del resto de habitaciones puede consultarse en el anexo 2 de este proyecto. HABITACIÓN DORMITORIO PPAL DORMITORIO 1 DORMITORIO 2 ESTUDIO COCINA-COMEDOR SALON TOTAL KCAL / h 1749 1658 1171 1214 1686 2047 WATIOS 9525 11.020 Figura 68: Resumen de cargas de calefacción de la vivienda. Fuente: Autor del TFC. Página91 Después de realizar los cálculos para todas las estancias de la vivienda hemos obtenido como resultado que es necesaria una potencia de calefacción de 11kW. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.4. Propuesta de instalación de energía geotérmica Una vez hemos hecho el cálculo de la demanda energética de la vivienda necesaria para climatización, tenemos que dimensionar y elegir los elementos que formaran la instalación geotérmica. A continuación vamos a realizar el estudio y dimensionamiento de los diferentes elementos que formaran la instalación de climatización. 8.4.1. Sistema de captación La función de un intercambiador de calor subterráneo es servir de vía de conexión entre el terreno, que es la fuente o el pozo de calor (en modo calefacción o en modo refrigeración), y el intercambio de calor con el refrigerante de la misma. En nuestro caso hemos elegido la disposición de los captadores en lazo cerrado vertical, ya que realizado el cálculo para su disposición de forma horizontal, contando con la disposición de las trinchera excavadas y la separación entre estas, nos da como resultado que necesitaríamos una superficie de 59 m2 por kW de calefacción a obtener. Con lo cual para la necesidad de calefacción de nuestra vivienda, 11 kW, sería necesaria una superficie de terreno de: 11 kW x 59 m2/kW = 649 m2 Teniendo en cuenta que disponemos de una superficie de terreno de 377 m2 nos vemos obligados a la utilización del sistema vertical mediante la perforación de pozos. Este sistema tiene una clara desventaja, y es el coste de las perforaciones de los pozos necesarios, que suelen ser entre 50 y 100 m, si los comparamos con la realización de trincheras a 2 metros de profundidad necesarias para el sistema horizontal. Sin embargo tiene también algunas ventajas respecto a los sistemas horizontales. La principal es que necesita menos extensión de terreno, también requiere una longitud menor de tubería y no le afectan las oscilaciones estacionales de temperatura del suelo. La longitud de los captadores, y por tanto de la perforación vertical a realizar, depende de dos factores, de la potencia necesaria de climatización y la conductividad térmica del terreno. Nuestro sistema de captación geotérmica se dimensiona para garantizar el 100% de la demanda de calefacción y refrigeración de la vivienda. Las potencias demandadas para el captador geotérmico son de 11 kW de calefacción y 15 kW de refrigeración. Para determinar el tipo de terreno en la zona de nuestra vivienda será necesario consultar el estudio geológico antes del comienzo del proyecto. De este estudio obtendremos el tipo de terreno. Al tratarse de un supuesto de instalación, no dispongo de estudio geotécnico, por lo que supondré que el terreno está formado por gravas y arenas. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página92 Para el cálculo de la longitud del intercambiador, realizaremos los cálculos necesarios utilizando la potencia de calefacción, es decir, 11kW. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Con este dato consultamos en la figura 49 las propiedades de este tipo de suelo: Tipo de suelo Conductividad W/ m ºC Difusibilidad 2/s m Densidad 3 Kg/m Capacidad calorífica Kj/Kg ºC Flojo húmedo (arena suelta, lodo) Flojo seco (arena suelta, grava compacta, barro) Denso, húmedo (caliza, arena, grava compacta, barro) Denso, seco(caliza, arena, grava compacta, barro) Roca ligera (caliza) Roca pesada (granito) Escarcha ligera Escarcha densa 0,9 0,3 0,000000516 0,000000284 1600 1400 1,05 0,84 1,3 0,000000645 2100 0,96 0,9 0,000000516 200 0,84 2,4 3,5 1,4 2 0,00000103 0,00000129 0,0000011 0,00000137 2800 3200 1580 2070 0,84 0,84 0,76 0,69 Figura 69: Tabla de propiedades de varios tipos de suelo. Fuente: RETscreen International . Así obtenemos el dato de la conductividad térmica de nuestro terreno: 1,3 W/m °C. La norma VDI 4640 indica la relación entre la conductividad térmica del terreno y la extracción de calor que puede esperarse de ese terreno. Figura 70: Propiedades de varios tipos de suelos. Fuente: RETscreen International. Página93 La figura 70 nos muestra una gráfica realizada para una vivienda con una demanda de calefacción de 10 kW. Si introducimos en la gráfica la conductividad térmica de nuestro terreno, 1,3 W/m °C, obtenemos como resultado que se pueden extraer 34 w/metro. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Considerando la proporción correspondiente entre los 10 kW (10000 W) de la figura y los 11 kW (11000 W) de demanda de nuestra vivienda resulta: x = 355,8 Redondearemos a 360 m Esta es la profundidad necesaria del pozo y por tanto la longitud de los intercambiadores. Para reducir la distancia podemos introducir 2 tubos en U en el pozo con lo que aumentamos el doble la longitud de captación y por tanto podemos reducir la profundidad del pozo a la mitad, 180 m. Sin embargo, sigue siendo una profundidad excesiva, y que puede aumentar el coste de la perforación, y por tanto de la instalación. Por ello buscamos otra solución que nos disminuya la profundidad de perforación y por tanto nos mantenga estable nuestro presupuesto. La solución consiste en realizar dos pozos en lugar de uno. Siguiendo el mismo esquema de diseño, introduciendo en ellos dos tubos en U. La profundidad de estos se ve reducida 90 m. Los pozos tendrán un diámetro de entre 150-200 mm. Antes de su realización debemos asegurarnos de que en el subsuelo no existan tuberías de gas, agua, o cualquier tipo de conducción. 8 metros Figura 71: Localización de las perforaciones de los pozos. Fuente: Autor del TFC. Se realizaran dos perforaciones de 90 metros de profundidad, con un diámetro mínimo de 150 mm para facilitar la correcta introducción de las sondas, la separación entre sondas será como mínimo de 6 metros, y entre sondas y el edificio 2 metros. Las sondas serán de PE del tipo doble U con un diámetro de 25 mm. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página94 El lugar de las perforaciones debe quedar claramente reflejado en un plano una vez termine la instalación por si en un futuro fuera necesario realizar algún trabajo de reparación o mantenimiento, en los propios captadores o en los alrededores, poder localizar su posición fácilmente. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.4.2. Bomba de calor geotérmica A partir de los datos de la demanda energética necesaria para la correcta climatización de la vivienda se ha buscado un aparato que cumpla con los requisitos de nuestra instalación. Potencia mínima de 11 kW calefacción y 15 kW refrigeración. Tipo suelo – aire. Toma el calor del suelo y la transmite a la vivienda mediante aire a través de conductos. Figura 72: Bomba de calor geotérmica. Fuente: ECONAR modelo EV 470/471 Hemos seleccionado una bomba de calor geotérmica que se adecua a nuestra instalación de la marca ECONAR, concretamente el modelo EV 470/471. A continuación pasamos a enumerar sus características técnicas. Caudal de agua del lazo cerrado vertical: 45,5 l/m2 (12 GPM). Caudal de aire a la vivienda: 2.633,5 m3/h (1.550 cfm). Modo calefacción: 12 kW (41.000 BTU/h) COP = Modo refrigeración: 15 kW (48.000 BTU/h). COP (refrigeración) = = 3,6 = = 4,2 La bomba de calor estará situada en el sótano de la vivienda según se indica en la figura siguiente. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página95 = Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Bomba de calor Intercambiadores Figura 73: Instalación bomba de calor. Fuente: Autor del TFC Sera necesario la instalación de varias rejillas para que el local se encuentre permanentemente ventilado. Sistemas de distribución: La energía calorífica o frigorífica se distribuirá por la vivienda en forma de aire. La bomba de calor, desde el sótano, impulsara aire frio o caliente (dependiendo de la época del año) verticalmente y a través de un sistema de conductos se distribuirá por toda la vivienda. Los conductos estarán formados a partir de paneles de lana de vidrio revestidos de aluminio tanto interior como exteriormente. Página96 Figura 74: detalle de conductos para aire acondicionado de lana de vidrio. Fuente: Catálogo Perantón. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera El sistema de conductos de distribución se realizara de la forma y recorrido que aparecen en las siguientes figuras: Conducto distribución de aire. Conducto retorno de aire. Dirección del flujo de aire Bomba de calor Intercambiadores Página97 Figura 75: Distribución de conductos en planta sótano. Fuente: Autor del TFC Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Conducto distribución de aire. Conducto retorno de aire. Dirección del flujo de aire Figura 76: Distribución de conductos en planta primera. Fuente: Autor del TFC Conducto distribución de aire. Conducto retorno de aire. Dirección del flujo de aire Página98 Figura 77: Distribución de conductos en planta primera Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.5. Seguridad y salud 8.5.1. Objeto de estudio Este apartado de seguridad y salud pretende establecer unas previsiones respecto a Prevención de riesgos y accidentes laborales, así como las instalaciones preceptivas de Salud y Bienestar de los trabajadores. 8.5.2. Características de la propuesta Según los cálculos obtenidos en los apartados anteriores se precisa la realización de dos sondas geotérmicas, a cielo abierto. Además se prevé la ejecución de una arqueta de fábrica de ladrillo para la colocación del colector geotérmico y la perforación del muro de sótano para introducir los colectores de ida y retorno hasta la bomba de calor. La maquinaria a emplear será: máquina perforadora y grúa pluma. 8.5.3. Características de la zona de trabajo El solar posee forma rectangular y linda por la fachada sur con otra finca y el resto permanece libre. Se disponen de todos los servicios urbanísticos. Las dimensiones de la vivienda se han definido anteriormente. La climatología es la propia del lugar, temperaturas cálidas en invierno y calor en verano, con un nivel bajo de precipitaciones atmosféricas. El acceso a la zona de trabajo se realizara por la fachada oeste, para ello será necesario el uso de una grua pluma para introducir la maquinaria de perforación en el lugar de trabajo. 8.5.4. Centros de asistencia más próximos Los centros sanitarios más próximos son: Centro de salud de La Manga del Mar Menor, km 3, tlf: 968 14 21 25 Hospital Universitario Santa Lucia de Cartagena, tlf: 968 12 86 00 8.5.5. Trabajos previos y normas en caso de emergencia, planificación de los trabajos. Página99 Trabajos previos: se realizara el vallado o acordonado de la zona de jardín para evitar el acceso de personas ajenas a la instalación puedan manipular la maquinaria o el material de instalación. No se precisara la instalación de casetas de ningún tipo debido a la escasa complejidad de la unidad de obra. Se solicitara el corte de la calle, de la fachada oeste, para la introducción de la maquina perforadora y el material de acopio, mediante grúa pluma. Para ello se debe señalizar convenientemente mediante discos varios días antes. El día de la llegada de maquinaria y materia se redigira el sentido de circulación de los peatones para evitar que pasen por la acera a través de la cual se realiza la entrega de la maquinaria y los materiales. Durante los trabajos de perforación las medidas de seguridad a seguir serán las que se citan a continuación. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.5.6. Normas en caso de accidente Ante un accidente se actuará rápidamente, con serenidad y apartando a los curiosos y a las personas inútiles. - - - - - - La extracción del herido, si queda aprisionado, por ejemplo bajo escombros, se hará con especial cuidado para no causarle mayores lesiones y se le limpiarán las vías respiratorias. Toda persona que haya perdido el conocimiento debe ser acostada con la cabeza al mismo nivel que el resto del cuerpo. Si tiene la cara congestionada, entonces, la cabeza debe levantarse. Si se presenta vómitos, se le pondrá la cabeza de lado. Hay que abrigar al lesionado y desabrocharle y aflojarle los vestidos, corbatas o cualquier prenda que pueda oprimirle, aunque sea ligeramente. Se manejará al herido con precaución, siendo muy importante que se le tranquilice y anime. Cuando la ropa cubra cualquier parte del cuerpo donde se sospeche que existe lesión debe eliminarse ésta parte de la prenda cortando o rasgando la tela. No debe administrarse bebida alguna a una persona inconsciente. Aún con el conocimiento recobrado no deben darse bebidas alcohólicas. El transporte se hará de forma adecuada. Si los primeros auxilios fueron correctos, es preferible, antes de realizar el transporte, esperar la llegada del médico al lugar del accidente. La posición conveniente durante la elección del medio de transporte y la evacuación son fundamentales. Así en casos muy agudos puede ser imprescindible el helicóptero y, en ciertos casos graves, una ambulancia quirófano. El vehículo se conducirá con cautela. De ser posible se avisará, al Centro Hospitalario receptor la llegada del accidentado. 8.5.7. Seguridad en movimiento de tierras y perforaciones Posibles riesgos laborales que no pueden eliminarse. - Desplome de tierras, por el propio terreno. Caída de personas, vehículos, maquinaria u objetos desde el borde de coronación. Caída de personas al mismo nivel. Generación de Polvo. Ruido de la Maquinaría. Hundimiento de la Maquinaría en el interior de la obra. Se respetara la distancia mínima con la maquina perforadora. - Casco de polietileno, certificado, cuando se esté fuera de los vehículos. Botas de seguridad y/o Goma (PVC). Guantes de cuero, Goma o PVC. Trajes impermeables para ambientes lluviosos. Gafas de antiproyecciones. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página100 Equipos de protección personal. EPI. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera - Mascarilla antipolvo con filtro recambiable. Sistemas de protección colectica.SPC. - Iluminación de la obra en trabajos nocturnos. Barandillas y/o cinta de balizamiento. Señales ópticas y sonoras en movimientos de equipos. Cuadros eléctricos de maniobra protegidos según normativa vigente. Señalización e iluminación de la zona de trabajo. - El Real Decreto 485/1997 establece un conjunto de preceptos sobre - las características de las señales de seguridad en las obras. Señales de prohibición. Señales de indicación de peligros. Señales de información de seguridad. Señales de obligación. Señales de equipos contra incendios. En zonas de paso 20 Lux en caso necesario. En zonas de trabajo 200 a 300 Lux en caso necesario. 8.5.8. Esquemas de seguridad 2 1 3 Figura 78: Esquema de seguridad. Fuente: Autor del TFC. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica y vallado para Página101 1- Calle cortada mediante señalización introducción maquinaria y materiales. 2- Zona acopio materiales. 3- Zona acopio maquinaria. UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.6. Cumplimentado de hojas de chequeo LISTA DE CHEQUEO ANÁLISIS DEL PROYECTO Nº1 CORRECTO Disponemos de toda la documentación necesaria para ejecutar la instalación. Nos han sido facilitados todos los planos necesarios para la ejecución. Cumple la instalación con la normativa de aguas. Cumple la instalación con la normativa de minas. Quedan perfectamente descritos y detallados los procesos de la unidad de obra. Se corresponden los planos con la realidad (huecos en forjado, volúmenes, etc). Tenemos los medios necesarios para trabajar con seguridad. Nos hemos reunido con la dirección facultativa para resolver las dudas. Acordamos un día, a poder ser semanal, para reunirnos con la dirección facultativa e instalador. LISTA DE CHEQUEO RECOPILACIÓN Y ACOPIO DE LOS MATERIALES Están definidos los materiales a emplear. Las fichas técnicas se corresponden con el proyecto. Están ubicadas las zonas de acopios. Es accesible el lugar de acopio. Los acopios estarán protegidos de los agentes atmosféricos. Es correcto el traslado de los materiales desde el lugar de acopio al tajo. Está previsto el sistema de retirada de material sobrante. INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA X X X X X X X X X Nº2 CORRECTO X X X X X X x LISTA DE CHEQUEO LIBRO DEL EDIFICO Nº3 CORRECTO CONSULTAR D. OBRA X X x Página102 Se han entregado los planos necesarios para que el usuario conozca perfectamente los lugares por donde discurren las instalaciones. Se dispone de manual de uso. Se ha realizado demostración de funcionamiento al usuario. INCORRECTO Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera LISTA DE CHEQUEO COLECTOR DE DISTRIBUCION, DISPOSITIVOS DE CORTE Y EQUILIBRADO CORRECTO Válvulas automáticas de purga de aire. Termómetros Ø 80 mm. Grifos de carga y descarga. Colectores de ida y retorno. Tapones de cabecera con aislamiento. Soportes murales. Etiquetas de sentido de flujo e identificación de los circuitos. Tacos de fijación a la pared. Válvula de corte de esfera con posibilidad de integrar un sensor de medición del caudal. Aislamiento para válvulas de corte. Sensor integrable para medición del caudal. Palanca de mando para válvulas de corte. Válvula de equilibrado con caudalímetro. Aislamiento para válvulas de equilibrado. INCORRECTO Nº4 CONSULTAR D. OBRA X X X X X X X X X X X X X x LISTA DE CHEQUEO COLECTOR PARA INSTRUMENTOS Nº5 CORRECTO Válvula automática de purga de aire. Dos vainas de 1/2” para sondas de temperatura. Desfangador con válvula automática de purga de aire y grifo de descarga. Colector portainstrumentos en cobre. Grifo automático de corte para vasos de expansión. Válvula de seguridad con descarga orientable. Grifos de carga y descarga. Vaso de expansión. Placa de anclaje (fondo de la caja de alojamiento) con soportes. Manómetro según normas I.S.P.E.S.L. Presostato de mínima homologado por el I.S.P.E.S.L Dos válvulas de corte con palanca larga para facilitar el uso en presencia de aislamiento. X X X Dos termómetros. Tubo flexible para conexión al vaso de expansión. Carcasa aislante preformada. Presostato de seguridad (opcional) Flujostato (opcional). X X X X x INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA Página103 X X X X X X X X X Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera LISTA DE CHEQUEO SONDA GEOTÉRMICA Nº6 CORRECTO Acopio de material. Creación de accesos para maquinaria. Limitar zona de trabajo y restringir accesos. Replanteo de Separación minima 6m entre sondas sondas geotermias. Separación entre sonda y edificio Distancia de 70 cm con otras instalaciones Replanteo de arquetas. Replanteo de pasamuros. Tipo de sonda De U De doble U Perforación de sonda con máquina perforadora. Se han colocado el lastre en el extremo de la sonda Se han realizado correctamente las soldaduras Relleno Grava Bentonita-cemento Introducción de tubería de llenado junto con la sonda Comprobar estado de las bobinas antes de desenrollar Instalación arquetas Prefabricada. De fábrica. Hormigón armado. Ninguna. Llenado de la sonda con agua para evitar su ascensión Prueba de presión con sonda llena de agua Relleno de pozo Prueba de sonda a 6 bar Empalme de sondas con colector Purga de instalación Prueba final a 1,5 veces la presión de servicio 8.7. INCORRECTO CONSULTAR D. OBRA X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Esquema de instalación Página104 En el anexo V aparecen planos, creados por el autor de este TFC, de un esquema de la instalación propuesta. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.8. Presupuesto de la instalación geotérmica. La inversión inicial a realizar por el propietario es de 27.357,18 €. Esta cifra engloba los costes del equipo, transporte e instalación de los mismos, así como el beneficio industrial de la empresa instaladora. En la figura 79 se presenta el desglose del presupuesto de la instalación antes de incluir subvenciones: COMPONENTE Pozos, perforación y asentamiento de los orificios de 90 m. Tubería PE sw alta densidad de 25 mm (8x90+40) Solución anticongelante para lazo cerrado de captadores,(10% del volumen total). Propilenglycol (m3) Bomba de calor geotérmica ECONAR 12 kw EV 470/471 Conductos aire y accesorios Instalación (20%) CANTIDAD 180 PRECIO UNITARIO 75,00 € COSTE 13.500,00 € 760 1,40 € 1064,00 € 0,1489 1200,00 € 178,68 € 1 8200,00 € 8200,00 € 1 0,20 1250,00 € 19320,04 € 1250,00 € 3864,01 € 28056,69 € IVA (18%) 5050,2042 € TOTAL 33.106,894€ Figura 79: Presupuesto de instalación geotérmica. Fuente: Autor del TFC. Estamos realizando una instalación que produce energía mediante fuentes renovables y no contaminantes al ambiente con CO2. Suponiendo que obtuviéramos algún tipo de subvención por parte del Estado, o la Región de Murcia, el presupuesto de inversión inicial seria de 17.782,17 € tal y como se refleja en la figura 80. Presupuesto inicial % de subvención* Subvencion (€) Inversión inicial con subvención 33.106,894€ 46 % 15.229,17 € 17.782,17 € Figura 80: Cálculo de inversión inicial, con subvención. Fuente: Autor del TFC. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página105 *Dato elegido al azar. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Existen subvenciones aplicables en la Región de Murcia. A continuación se comenta en qué consiste este tipo de subvención, sus aplicaciones y fechas de solicitud (obtenido de la pagina web de Agencia de Gestión de Energía de la Región de Murcia, www.agem.com): Ayudas para la ejecución y explotación de los proyectos de instalaciones de aprovechamiento de recursos energéticos renovables en el área solar térmica, solar fotovoltaica aislada o mixta eólica-fotovoltaica aislada, biomasa, biogás, biocombustibles y geotermia. Agencia de gestión de la energía de la región de Murcia Dirección: C/ Pintor Manuel Avellaneda nº 1 - 1º izqda - 30001 Murcia Teléfono: 968 223 831 / 968 223 834 Web: www.argem.es Email: [email protected] Plazo de presentación: Hasta el 04/06/2011. Más información sobre las subvenciones de Murcia Geotermia: Tipo de aplicaciones: Sistemas de aprovechamiento de la energía geotérmica, calor y/o frío existente en el subsuelo para su consumo en el sector doméstico, industrial o de servicios, mediante sistemas electromecánicos o termodinámicos: F-1) Aprovechamiento de energía térmica para redes de distrito. F-2) Aprovechamiento de la energía térmica para climatización utilizando bombas de calor que intercambien con el terreno, ya sean de circuito abierto o cerrado, tanto para instalaciones existentes que se reformen, como para instalaciones nuevas. Página106 3. Se establece en uno el número máximo de proyectos subvencionables, por tecnología y periodo subvencionable, salvo, en el caso de una solicitud de varias instalaciones enmarcadas en una misma acción en el área solar térmica de baja temperatura y biomasa o en actividades divulgativas, docentes, humanitaria u otras de interés social, presentada por una institución de carácter social, en el que se establecerá el número máximo de instalaciones en atención al criterio de satisfacción efectiva de la finalidad propuesta en la acción, con un máximo de cuatro instalaciones, y siempre, dentro, de las disponibilidades presupuestarias existentes. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.8.1. Ahorro energético respeto al sistema convencional. La implantación de la instalación geotérmica permitirá ahorrar en el consumo de gas y electricidad de la vivienda. Estudiaremos por separado el ahorro en calefacción y en refrigeración. a) Calefacción: El gasto anual de gas se ha calculado en base a lo reflejado en las facturas emitidas por la compañía suministradora durante el año 2010. En la figura 59 podemos observar un resumen del consumo anual de gas durante el periodo de 2010. Gastos anua de gas natural de una vivienda en 2010 m3 kWh €/kWh 1498,6 17469,18 0,04835591 Termino fijo 46,80 Alquiler contador 13,86 Total + IVA (18%) 1068,37 € Figura 81: Resumen consumo anual de gas en 2010. Fuente: Autor del TFC. Obtenemos el coste medio del kW obtenido mediante gas: = 0,061215 €/ kWh = Concepto Potencia contratada (2 meses x 1,752399) Consumo kWh Potencia kW 5,75 Factor 3,0504798 Euros 20,15 € 455 0,140069 Subtotal 53,73 € 73,88 € 3,78 € Impuesto sobre electricidad (4,864% del subtotal x 1,05113) 77,66 € 13,98 € 91,64 € Base IVA (18%) Total factura Precio medio kW/h (total factura / consumo) 0,2014077 € Figura 82: Calculo coste medio del kW eléctrico, a partir de facturas. Fuente: Autor del TFC. Del mismo modo obtenemos también el coste medio del kW eléctrico a partir de una factura eléctrica (figura 82): = 0,202407 €/ kWh Página107 = Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera La bomba de calor que hemos proyectado instalar tiene un COP (coeficiente de eficiencia energética) de 3,6, por lo tanto: El sistema consumirá = 3,06 kW para generar los 11 kW de calefacción, produciendo por lo tanto un ahorro de 11-3,06 = 7,94 kW. Siendo 17.469,18 kW de gas consumidos, los kW eléctricos gastados anualmente para hacer funcionar la bomba de calor son: = = 4.852,22 kW cuyo coste anual es de 4.852,22 Kw x 0,201407 €/kW = 977,34 €/año Luego el ahorro anual correspondiente en calefacción será: Página108 1.068,37 € (consumo de gas) - 977,34 € (electricidad bomba calor) = 91,03 € Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera b) Refrigeración: Actualmente la vivienda no dispone de ningún tipo de instalación de refrigeración, por lo que para realizar nuestro estudio vamos a suponer una instalación convencional de aire acondicionado formado por una bomba de calor aire-aire que distribuye el frio a través de conductos. La bomba de calor de la instalación supuesta es la marca Mitsubishi Electric, modelo de la serie PEHD-RP140JA , con una potencia de refrigeración de 14,5 kW y un EER (coeficiente eficiencia energética) de 2,52. El sistema consumirá = 5,95 kW para generar 15 kW El gasto de energía eléctrica, durante el periodo estival Junio – Septiembre, producido por la bomba de calor convencional será el siguiente: 5,95 kW/h x 8 h/día x 30 días x 4 meses = 5.712 kW 5712 kW x 0,201407 €/kW = 1.150,44 € Realizamos el mismo cálculo con la bomba de calor geotérmica de la marca ECONAR, modelo EV 470/471, con una potencia de refrigeración de 15 kW, y un ERR de 4,2. El sistema consumirá = 3,57 kW para generar 15 kW para refrigerar. El gasto de energía eléctrica durante el mismo periodo de verano producido por la bomba de calor geotérmica será el siguiente: 3,57 kW/h x 8 h/día x 30 días x 4 meses = 3.427,2 kW 3.427,2 kW x 0,201407 €/kW = 690,262 € El ahorro total anual de energía eléctrica en la producción de refrigeración del sistema geotérmica respecto al convencional será pues: Ahorro eléctrico total = 1,150,44 € – 690,262 €= 460,178 € c) Totales: Página109 El ahorro energético por año, por gasto de gas y electricidad, será: Ahorro total anual = Ahorro en calefacción + Ahorro en climatización Total = 91,03 € + 460,718 € = 551,208 € Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.8.2. Análisis económico de la instalación. A partir de los datos obtenidos en vamos a construir la simulación del estado económico de la inversión, su evolución futura y el periodo de amortización, que nos permitirá tener una visión sobre la viabilidad del proyecto en cuanto al retorno de la inversión (Pay – Back). AÑO INV.INICIAL Ingreso (ahorro gas electricidad) Ahorro mantenimiento (1% inversión) Inversión Flujo de caja Pay-back 1 5 10 15 20 512,538 671,84 942,28 1321,6 1853,61 177,82 216,14 275,86 352,06 449,35 690,36 -17.091,81 887,98 -13.852,12 1218,14 -8464,11 1673,66 -1065,48 2302,96 9109,4 -17.782,17 -17.782,17 -17.782,17 Figura 83. Previsión económica de la instalación en 20 años. Fuente: Autor del TFC. Trasladamos los datos obtenidos una gráfica y obtenemos una visión más clara de la evolución de la inversión en el tiempo. Podemos observar que el retorno de la inversión no se produce de una manera lineal en el tiempo, sino que con el paso del tiempo vamos recuperando una mayor cantidad de dinero en el mismo periodo de tiempo debido principalmente a la previsión de aumento de precio del gas y la electricidad en los próximos años. 15000 10000 5000 0 -5000 0 5 10 15 20 25 -10000 -15000 -20000 AMORTIZACION AÑOS Figura 84. Amortización de la instalación Geotérmica. Fuente: Autor del TFC. Página110 Será a partir de los 15/16 años cuando hayamos recuperado la inversión inicial de 17.782,17 € realizada en la instalación del sistema de climatización geotérmico. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.8.3. Ahorro de emisiones de CO2. Las bombas de calor geotérmicas reúnen características positivas para el medio ambiente. Sus efectos beneficiosos, en términos de reducción de CO2, son indiscutibles se comparan con otras posibilidades de calefacción y de refrigeración de edificios residenciales y comerciales. Esa circunstancia, unida a un menor consumo de energía eléctrica, es el motivo por el que los organismos públicos en un gran número de países desarrollados apoyan e incentivan la instalación de bombas de calor acopladas al terreno como forma de reducir la dependencia energética de los combustibles fósiles. Por último, es interesante verificar el ahorro de emisiones de CO2. Este ahorro de emisiones se traduce en un ahorro económico en el momento en que se pone un precio al derecho de emisión. Desde el año 2005 se ha establecido un mercado financiero donde se compran y venden derechos de emisión. Estos derechos representan la posibilidad de emitir una tonelada de CO2 a la atmosfera. Su precio oscila actualmente alrededor de los 17€. (Datos de Marzo del 2011). Por lo tanto es muy importante en todo tipo de instalaciones energéticas modernas calculas las nuevas emisiones de CO2, ya que todo ahorro de tipo medioambiental supone un ahorro económico importantísimo. Para el cálculo de los derechos de emisión consumidos se tiene en cuenta la siguiente expresión: Dónde: tCO2 = DA (kWh) x FE x ( ) tCO2 = Toneladas de dióxido de carbono emitidas DA = Datos de la actividad. Representa la diferencia del consumo de electricidad de un sistema convencional de un sistema geotérmico. FE = Factor de emisión. Kg de CO2 emitidas por cada kWh. Las emisiones de CO2 geotérmicas dependerán fundamentalmente del COP de la instalación y del FE medio del sistema eléctrico en el que nos encontramos, ya que la energía primaria utilizada por la instalación geotérmica es energía eléctrica. De esta forma, será necesario utilizar un factor de emisión medio para el sector eléctrico español, que será el siguiente: FE medio electricidad = 0,501 Página111 FE medio gas = 0,563 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera El ahorro del consumo, y las emisiones de CO2 será: Ahorro anual: Refrigeración: 5712 - 3427,2 = 2284,8 kW Calefacción: 17469,18 – 4852,22 = 12616,96 kW INSTALACION CALEFACCION REFRIGERACION TOTAL AHORRO ANUAL (kw) 12.616,96 2284,8 14.450,23 FACTOR EMISION CO2 0,563 0,501 EMISIONES CO2 7103,35 1144,68 8248,03 Figura 85: ahorro de consumo y emisiones de CO2. Fuente: Autor del TFC. La instalación geotérmica produce un ahorro anual de 8,24 tCO2. Este ahorro de emisiones se traduce en el siguiente ahorro económico a favor de la instalación geotérmica: Ahorro CO2 = 8,24 tCO2 x 17 €/ tCO2 = 140,08 €/año Página112 Este ahorro económico en la geotermia supone un extra de beneficio anual, lo cual mejora ligeramente los cálculos económicos. Este ahorro adicional influye favorablemente en el conjunto del país y supondría una mejora en la amortización de la inversión si repercutiese en los usuarios de la instalación. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 8.8.4. Conclusiones del estudio económico 33106,894 € 17782,17 € 17469,18 kW 12616,96,94 t 8200 € 5712 kW 4852,55 kW 3427,2 kW 2284,8 t 690,26 € 1150,44 € 977,34 € 1068,37 € Inversión inicial Gasto energetico calefaccion (anual) Gasto economico calefaccion (anual) Gasto energetico refrigeracion (anual) Gasto economico refrigeración (anual) Geotérmica sin subvención Geotérmica Calefacción gas natural Bomba calor convencional Emisiones CO2 Instalación convencional Página113 Figura 86: Tabla resume del estudio económico. Fuente: Autor del TFC. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera La instalación de climatización geotérmica es un sistema muy eficiente pero que necesita de una inversión inicial elevada si lo comparamos con otros sistemas convencionales. En nuestro caso asciende a 33.106,894 €. Esto es debido principalmente a la necesidad de realizar excavación o, como es nuestro caso, perforación para disponer los captadores geotérmicos. Esto encarece el coste total de la instalación, ya que comparado con una instalación convencional por ejemplo de bomba de calor aire-aire, la cual tendría un coste de 8200 €, y solo sería necesaria la instalación de las máquinas (unidad exterior e interior), que también tiene un precio inferior al de la geotérmica. Esta inversión inicial se ve reducida gracias a la existencia de subvenciones que premian la implantación de instalaciones que utilizan energías alternativas, y que en nuestro caso alcanza el 46% de la inversión, 15.229,17 €. Con lo cual deberíamos realizar un desembolso inicial de 17.782,17 €. La instalación geotérmica tiene un consumo muy inferior de energía (4.852,55 kW) si lo comparamos con una instalación de calefacción a gas natural. Sin embargo en términos económicos esta diferencia tan grande desaparece y queda reducida un pequeño ahorro (91,03 €). Esto es debido a la gran diferencia de precio que hay entre la electricidad y el gas natural (0,0483 € el kW de gas y 0,2014 € el kW de electricidad). Comparada con un sistema de refrigeración de aire acondicionado formado por bomba de calor convencional (aire-aire) podemos observar que se produce un ahorro del sistema geotérmico en cuanto al consumo energético, 3427,2 kW frente a los 5712 kW de la instalación convencional. Económicamente el ahorro resultante es de la misma proporción, siendo de 460,718 €, ya que el tipo energía que utilizan las dos instalaciones es la misma, electricidad. La instalación geotérmica produce menos CO2 a la atmosfera a lo largo de un año (calefacción y refrigeración) que la suma de las dos instalaciones convencionales (calefacción a gas natural y bomba de calor aire-aire). 2284,8 t. frente a los 12.616,96 t. de las convencionales, que tiene un valor tan elevado por el uso de gas natural. Podemos afirmar pues que la instalación de climatización geotérmica supera a las convencionales en cuanto a menor consumo energético, menor gasto energético, y menor contaminación del medio ambiente. Por lo tanto, después de realizar este estudio queda claro que con la instalación de sistemas que utiliza energías renovables, obtenemos ahorro en cuanto al consumo energético, lo que nos reporta también ahorro económico, y además disminuimos las emisiones de CO2 a la atmosfera. Sin embargo el objetivo que se pretende conseguir es que este tipo de instalaciones sean factibles sin necesidad de ningún tipo de ayudas en pocos años. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página114 Hoy en día las instalaciones que funcionan con energías renovables son viables gracias a las ayudas estatales, bien subvencionando parte de la instalación o primando el precio de la energía producida. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 9. Reglamentación Actualmente en España, no existe una legislación específica para los sistemas que aprovechan la energía geotérmica. Esto es debido principalmente, a la escasa experiencia que hay en este país con el uso de la geotermia. Por tanto, el desarrollo de una legislación específica para regular este sector, está siendo lento fundamentalmente para el caso de aplicaciones de muy baja temperatura. Con la aprobación de la nueva Directiva Europea de Energías Renovables (2009/28/EC), se espera un impulso en el desarrollo de la geotermia, ya que este tipo de energía será contemplada por primera vez en un Plan de Acción Nacional. Al no contar con una legislación propia, el uso de recursos geotérmicos se regula mediante otras leyes como la de minas o la de aguas. En la Ley 54/1980 de 5 de Noviembre, de modificación de la Ley de Minas (22/1973 de 21 de Julio), se hace mención en la sección D, a los recursos minerales energéticos entre los que se encuentran los geotérmicos, siendo esta sección aplicable a los recursos de alta entalpía Además, son de aplicación los Reales Decretos 2857/1978, de 25 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento General para el Régimen de la Minería y el 863/1985, de 2 de Abril, por el que se aprueba el reglamento general de normas básicas de seguridad minera. En nuestro caso, al tratarse de un aprovechamiento geotérmico de muy baja temperatura, es necesario solicitar permiso tanto a la Sección de Minas de la Región de Murcia, como a la Confederación Hidrográfica del Segura. Suele suceder, que al no haberse tramitado por parte de las administraciones ninguna instalación de características similares, no dispongan de procedimientos exclusivos para la obtención de permisos, por lo que necesariamente hay que seguir los procedimientos generales con los que se trabaja en la Confederación. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página115 Además de tener en cuenta el Reglamento Minero, al tratarse de un sistema abierto que utiliza aguas subterráneas, hay que considerar el Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de Julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas. En esta ley se indica que en los acuíferos que hayan sido declarados como sobreexplotados, o en riesgo de estarlo, no podrán realizarse nuevas obras sin la correspondiente autorización, aunque no se sobrepasen los 7.000 metros cúbicos. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 10. Conclusión Tras haber indagado y profundizado en este proyecto en el cual intento exponer los beneficios de una instalación que aprovecha la energía geotérmica, he llegado a conclusiones claras que me llevan a posicionarme en actitud positiva ante ésta. Son destacables sus características positivas como la importancia de una energía renovable, necesaria y útil en un mundo en el que los recursos finitos llegan a su límite, debemos actuar en consecuencia, de la forma más responsable posible inclinándonos hacía recursos que nos ayuden a cuidar el entorno en el que nos encontramos. Durante años he oído hablar de la importancia de estas fuentes de energía (eólica, solar, hidráulica,...) y en lo referente a la edificación la energía solar, como fuente aprovechable para la vivienda y hoy en día exigida en las nuevas construcciones. Todas estas energías han ido ocupando un lugar cada día más extenso en nuestra sociedad; sin embargo la energía geotérmica aún está por descubrir en comparación a las energías renovables mencionadas anteriormente. Personalmente, tras haber conocido la infinidad de cualidades que la energía geotérmica ofrece opino que ésta debe ocupar un lugar preferente dentro de lo que llamamos energía renovable para una vivienda eficiente. Me veo obligado, al menos a que esta fuente tan desconocida para muchos comience a ocupar un lugar más importante dentro de las energías renovables que podemos adquirir para que vivienda y entorno no se vean condicionadas por recursos finitos, sino que ambas se beneficien en adjetivos de ecología, comodidad y rentabilidad. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011 Página116 Como arquitecto técnico que comienza ahora a ver las distintas posibilidades ante las que me encuentro; y tras haber estudiado este tema en profundidad, quedo íntimamente ligado a la idea de llevar a cabo una edificación eficiente, utilizando la energía geotérmica puesto que supone un nulo impacto visual y requiere de los conocimientos de un arquitecto técnico para su instalación. Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera 11. Bibliografía Manual de Geotermia (2008). Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) e Instituto Geológico y Minero de España (IGME). Energía geotérmica de baja temperatura (2008). Antonio Creus Solé. CEYSA. Guía técnica de diseño de sistemas de bomba de calor geotérmica (2010). Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA). Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red (2002). Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA). Detalles constructivos CYPE (2011). CYPE ingenieros S.A. Apuntes Calidad del proceso constructivo (2009). Eloísa González Ponce. Catálogo de productos Perantón. Catálogo de productos Econar. Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica Página117 UCAM 2011 Instalación de energía geotérmica en viviendas Trabajo Fin de Carrera Catálogo de productos Enertres. Catálogo de productos Caleffi. www.geothermie-perspectives.fr www.climatemaster.com www.egeg.org www.geoheat.oit.edu www.geothermie.de www.girodgeotermia.com www.idae.es www.ingelco.es www.geotermiasolar,net www.retscreen.net www.geothermie.ch www.ansoltec.com www.geotermalia.es/index.php?id=7 www.portalenergia.es/articulos/2009/06/sistemas-de-geotermia-paraclimatizacion.jsp www.imsrenovables.es/verProyecto.php?id=49 www.ingeosolar.com/geotermia.aspx www.ingeo.es/vinculos.html www.google.maps.com Página118 Ruiz Pagán, Pablo Escuela de Arquitectura Técnica UCAM 2011