Análisis de los consumos anuales de una vivienda Geotermia

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Geotermia
Análisis de los consumos
anuales de una vivienda
en la zona del alto Pirineo
La energía geotérmica de baja entalpía es una de las nuevas tendencias
en los sistemas de climatización por su alto rendimiento energético, su
contribución en reducir el efecto invernadero, el nulo impacto
paisajístico y los bajos costes de mantenimiento.
La geotermia somera es una de las tecnologías
que está teniendo más auge en la aplicación de
los sistemas de climatización en viviendas. Los
fabricantes de las bombas de calor proporcionan
unos coeficientes de prestación (C.O.P) que
oscilan entre los 4,2 y 4,8, lo que deben suponer
un ahorro energético y económico muy
importante para los usuarios que estén
dispuestos a instalar estos sistemas de
climatización, que requieren de inversiones
iniciales superiores a los sistemas tradicionales
de calderas de condensación o baja temperatura
con ayuda de enfriadoras para cubrir las
demandas de refrigeración. Geotics Innova,
empresa pionera en España de los sistemas de
climatización basados en geotermia de baja
entalpía, decidió instrumentalizar parte de sus
instalaciones para poder comprobar si a través
de los datos suministrados por los elementos de
medida era capaz de obtener los valores de
eficiencia energética previstos inicialmente en
cada proyecto.
21ºC. En la primera planta se encuentran los
dormitorios con una temperatura de consigna de
unos 20ºC y una superficie total a climatizada de
140m2. Las temperaturas de cada una de las
estancias está controlada por un sistema
domótico que las regula en función de los valores
prefijados en cada una de les plantas y que varia
para las épocas estivales ajustando un valor
constante para cada una de las plantas de 24ºC.
El sistema de climatización
El sistema de climatización geotérmica, si bien
en un principio fue diseñado para una potencia
térmica de 40 kW, finalmente se decidió
planificarlo para una potencia de 60 kW en aras
a posibles ampliaciones de la vivienda. Así, el
sistema está formado por una bomba de calor
del fabricante sueco NIBE modelo F1330 de 2
compresores que proporciona agua caliente a
unos 39ºC y agua fría en verano a unos 15ºC
sobre un depósito de acumulación. A este
depósito están conectadas las bombas
circuladoras encargadas de enviar este fluido a
los diferentes elementos terminales del sistema
de distribución de calor o frío, suelo radiante
para distribuir el calor y frío, más algunos fancoils
de apoyo durante las épocas estivales para el
La instalación a que se hace referencia en este
artículo está ubicada en la zona del Pirineo
Catalán a unos 1150 metros de altura sobre el
nivel del mar con unas temperaturas medias
anuales que suelen rondar entre 10 y 11ºC. Se
trata de una vivienda unifamiliar de unos 530m2
climatizados, distribuidos en 3 plantas. En la
planta inferior se ubica la instalación geotérmica
y una zona de recreo con un total de 130m2
climatizados que se suele mantener a una
temperatura de unos 19ºC. La planta baja es la
zona principal en la se encuentran las zonas
comunes, comedor, sala de estar y zona de
lectura. Su superficie climatizada es de unos
260m2 y la temperatura de consigna está en unos
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eléctrico contabilizará el consumo en Kwh de la
bomba de calor F1330 incluyendo los consumos
de sus bombas circuladoras. El fabricante NIBE
proporciona como equipo adicional un control
remoto llamado RCU10 que permite a la unidad
F1330 estar en todo momento conectada a una
red Ethernet con la posibilidad de realizar el
control remoto de la bomba de calor a través de
una conexión ADSL. Esta unidad remota también
permite la consulta de datos y cambio de
parámetros no sólo desde el servidor web que
tiene integrado con acceso desde un navegador,
sino también mediante accesos desde la LAN y
utilizando un protocolo Modbus TPC/IP
permitiendo conocer en todo momento el
estado de cada unos de los elementos de la
bomba geotérmica, compresores y bombas
circuladoras.
sistema de refrigeración. Esta bomba geotérmica
también se encargará de la preparación de agua
caliente sanitaria (A.C.S.). Esta preparación la
realiza uno de los compresores sobre dos
depósitos de doble envolvente con una capacidad
de acumulación total de 1500 litros a una
temperatura media de 52ºC. Para realizar esta
función la bomba geotérmica dispone de una
válvula de 3 vías en el compresor B que permite
realizar esta operación. El cambio en la
producción de calor a frío se realiza por medio
de un inversor de ciclo externo llamado HPAC,
proporcionado por el mismo fabricante sueco,
compuesto por 4 válvulas de 3 vías que conectan
las salidas del evaporador y condensador con el
sistema de intercambio geotérmico o con el
sistema de distribución en función del tipo de
producción que se desee, calefacción o
refrigeración.
Los contadores térmicos y el contador
eléctrico disponen de salidas de impulsos que
están conectadas a un controlador programable
con display integrado, que se encarga de
contabilizar y almacenar para el posterior
tratamiento de datos. El controlador también
está conectado al control remoto de la bomba
geotérmica a fin de poder conocer el estado de
las circuladoras y de los compresores. Este
controlador dispone de una memoria interna
donde se irá almacenado el consumo energético
total, las horas de funcionamiento de cada uno de
los compresores y las bombas circuladoras
asociadas a cada uno de ellos.
El colector geotérmico está formado por 8
perforaciones verticales con sonda de polietileno
simple del tipo PE100 Dn40 con una longitud
total de perforación de 738 metros.
Esta información se almacena en un formato
que sea fácilmente exportable a la hoja de cálculo
Excel y así poder graficar toda esta información.
En la pantalla del controlador programable
también aparecerán los datos más significativos,
como el COP instantáneo, COP medio estacional,
energía térmica mensual, energía eléctrica
mensual, etc. Todos estos datos almacenados por
el controlador son almacenados cada 2 horas en
la memoria interna de éste y aproximadamente
una vez cada 2 meses son volcados a una memoria
del tipo USB para poder ser tratados.
Los elementos de medida y
captura de datos
Las variables a obtener para poder evaluar el
coeficiente de prestación de la instalación es la
energía térmica suministrada a la vivienda y
energía eléctrica consumida por la instalación.
Como se trata de un sistema de climatización
que incluye la producción de A.C.S. deberemos
tener en cuenta este punto y contabilizar también
esta energía generada.
El sistema de medida está formado por 2
contadores de energía térmica, uno de ellos
capaz de totalizar calor y frío que se instalará
entre la bomba de calor geotérmica y el depósito
de inercia. El segundo contador térmico que sólo
contabiliza calorías en forma de calor, se instalará
en la salida de producción de A.C.S. El contador
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obtiene su valor máximo el mes de julio (6,12).
Este dato se debe al proceso de recuperación
parcial de calor para la producción de A.C.S.
durante los periodos de refrigeración. Se puede
dar la circunstancia de que el compresor que
está dedicado parcialmente a la producción de
A.C.S. pueda estar realizando esta tarea mientras
enfría el depósito de acumulación de frío,
suministrando de forma simultánea energía en
forma de calor y frío y provocando que los dos
contadores de energía térmica estén en
funcionamiento. Dicho de otra forma, estamos
extrayendo calor del depósito de inercia y lo
estamos transportando al depósito de A.C.S.
consumiendo una única energía eléctrica para
producir 2 formas de energía térmica diferentes
al mismo tiempo. El C.O.P. medio contabilizado
durante los meses estivales fue de 5,38.
El tratamiento de datos
Adicionalmente a este sistema de gestión
energética, una estación meteorológica
conectada al sistema de gestión de la vivienda,
permite recoger los datos de las temperaturas
exteriores y poderlos relacionar con los
consumos de la vivienda. La recogida de datos de
las temperaturas exteriores se realiza cada 15
minutos y a partir de estos datos se pueden
elaborar las temperaturas medias mensuales.
Durante el año 2009 la temperatura media más
baja correspondió al mes de Enero con un valor
de 0,6ºC y la media del mes más cálido fue el mes
de Julio con una media de 18,95ºC. Si nos
centramos en las temperaturas mínimas y
máximas absolutas, estas fueron de -12,72ºC y
31,56ºC. La temperara media anual del lugar del
año 2009 se quedó en 10,05ºC.
Con los datos aportados por el sistema del
controlador, consumos de energía eléctrica,
energía generada en forma de calor o frío y
producción de A.C.S., se elabora la relación del
coeficiente de eficiencia (C.O.P.) para cada mes.
Este coeficiente tiene sólo en cuenta la energía
final suministrada a la instalación y la energía
eléctrica consumida por los compresores para la
producción de calor, frío y A.C.S. El total de la
energía térmica suministrada a la instalación
durante todo el año 2009 fue de 96.570Kwh y la
energía consumida por los compresores fue de
21,390Kwh lo que proporciona un coeficiente de
eficiencia (C.O.P.) medio anual de 4,51.
Paralelamente al aumento y disminución de
los coeficientes de eficiencia en cada uno de los
meses, la factura energética también debe seguir
un valor inversamente proporcional a la
evolución del valor del C.O.P. Existe un punto
importante a destacar que es el consumo
térmico de cada mes para poderlo relacionar de
forma clara con la factura mensual.
Si nos centramos de forma mensual en este
coeficiente, se observa que durante los meses
invernales en los cuales la instalación está
produciendo calor y A.C.S. el valor medio ronda
los 4,07, concretamente se constató que el valor
medio obtenido cuando la instalación estaba
produciendo sólo calor era de 4,21 y cuando
sólo se estaba produciendo A.C.S. este valor
bajaba hasta 3,25. Este fenómeno es totalmente
normal ya que cuando la bomba de calor estaba
produciendo A.C.S. la temperatura de
preparación media era de unos 52ºC y cuando
estaba produciendo calor la temperatura de
preparación era de 39ºC. También cabe destacar
que la temperatura de retorno del colector
geotérmico nunca descendió por debajo de los
0ºC durante las épocas de mayor extracción de
energía.
Los consumos energéticos
Los meses más fríos como son los de
diciembre, enero y febrero, el consumo
energético de la vivienda es mayor y el valor del
C.O.P. es menor que en los meses estivales
provocando que el consumo eléctrico de estos
meses sea el mayor de todo el año, siendo de un
consumo superior a los 250€/mes. Los meses de
transición como son abril y mayo, octubre y
noviembre, los consumos energéticos son los
más bajos y la factura energética de estos meses
ronda entre 150 y 200€/mes. Son meses en los
que, dependiendo de la climatología del año, la
demanda de calor o frío se reduce a momentos
puntales del día. Si observamos con detenimiento
Claramente, el valor del C.O.P. aumenta
ostensiblemente durante los meses estivales y
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los meses estivales, junio, julio y agosto, los
consumos energéticos con relativamente altos
pero la factura energética correspondiente a estos
meses es de las más bajas. La respuesta a esta
situación la encontramos en el proceso de
recuperación de energía en forma de calor
durante la producción de A.C.S. La producción de
A.C.S. es prácticamente gratuita durante todos los
meses estivales como consecuencia de la
producción simultánea de frío y calor en esta
época. Este hecho, también se pone de manifiesto
que durante estos meses el C.O.P. de la instalación
aumenta de forma considerable alcanzando su
valor más alto durante el mes de julio, que es
precisamente el más caluroso del año.
En el global del consumo anual de la
instalación y para un valor medio de
0,115586€/Kwh eléctrico (medida del porcentaje
de cada franja horaria, tarifa 3.0.2), obtenemos un
gasto de 2677€ al año utilizando únicamente
energía geotérmica.
Si realizamos una comparativa con otras
tecnologías para poder saber los ahorros anuales
y los periodos de amortización frente a otras
tecnologías más convencionales como puede ser
caldera de gas propano con enfriadora aire agua
y caldera de gasoil con enfriadora aire agua
veremos que el uso de este tipo de tecnología es
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realmente rentable desde el punto de vista
económico y ecológico.
ayudará de forma notable a la elección acertada
de la potencia de la bomba de calor.
Con un precio de mercado del gas propano
de 0,0655 €/Kwh y un precio de 0,07013 €/kwh
de gasoil se obtienen unos gastos anuales de
5835€ para el caso del gas y 6194€ para el caso
del gasoil, considerando un rendimiento medio
de las calderas del 95% del P.C.I. de cada
combustible y un valor de C.O.P. de 3,5 para el
caso de la enfriadora durante la producción de
agua refrigerada.
Una selección por defecto podría provocar
que nuestra instalación geotérmica no fuese
capaz de proporcionarnos la energía necesaria
para mantener la temperatura de la vivienda en
unos niveles de confort óptimos. Un
sobredimensionamiento de la bomba de calor
provocaría un encarecimiento notable de la
instalación y unos periodos de retorno
excesivamente altos. Para el caso estudiado se
han propuesto dos comparativas 60Kw
instalados frente a 30Kw hipotéticos y 60Kw
frente 40Kw (que era la instalación propuesta). A
partir de los valores de los periodos de retorno
de la instalación se comprobará que una buena
selección garantizará unos periodos más bajos de
retorno.
En el caso de una bomba de 30 Kw con un
Si esta comparación la realizamos desde el
punto de vista de las emisiones de CO2 los
resultados son todavía mucho más
espectaculares. El gasoil es el combustible fósil
que mayores emisiones de CO2 y produce unas
23,78 toneladas anuales por 20,44 del gas
propano frente a las 4,98 toneladas producidas
por el sistema geotérmico. Este valor del sistema
geotérmico puede variar cada año y esperamos
que a medida que las energías renovables tengan
mayor presencia en la producción de energía
eléctrica vaya disminuyendo año tras año.
colector geotérmico propuesto de de unos
480m el periodo de retorno de la instalación
ronda los 6,5 años pero debemos tener en
cuenta dos observaciones. Por un lado, la no
cobertura de la demanda pico de la instalación
que se ha estimado de 35Kw a partir de los
valores suministrados por los elementos de
medida para una temperatura exterior de -13ºC.
La segunda observación es el elevado número de
horas de funcionamiento del compresor, que
puede penalizar la vida útil del compresor.
Al tratarse de una instalación que funciona un
número de horas muy elevado, alrededor de las
2626 horas anuales, se ha dimensionado el
colector geotérmico con una capacidad baja de
extracción por metro de perforación para no
saturarlo y poder garantizar unas temperaturas
mínimas razonables de funcionamiento,
concretamente 50w/m.
La amortización de la instalación
Uno de los puntos más delicados de las
instalaciones con bomba de calor, y
concretamente de las bombas de calor
geotérmicas, es el cálculo de la potencia a instalar.
El cálculo de cargas térmicas de la vivienda nos
El caso contrario es la instalación de 60Kw,
que únicamente trabajará unas 1313 horas
anuales. Esa situación permitirá dimensionar el
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colector con una capacidad de extracción mayor
que la instalación de 30Kw, concretamente
65w/m, pero no impedirá que el periodo de
retorno se incremente notablemente debido al
aumento del precio del colector geotérmico para
una instalación de 60Kw frente a una de 30Kw y
también al incremento del precio de la misma
máquina.A partir de los 11,5 años se empezaría a
amortizar la inversión realizada en esta
instalación.
La instalación propuesta originariamente de
40Kw es la más equilibrada respecto a los dos
casos anteriores, cubre las demandas puntas de
35Kw y el número de horas anuales entra dentro
de los parámetros recomendados de
funcionamiento de los sistemas geotérmicos. La
capacidad de extracción se ha fijado en 55w/m,
tiene un periodo de retorno inferior a los 8 años,
que es un 30% inferior al periodo de retorno de
la instalación de 60Kw.
La geotermia: una tendencia de
climatización en auge
La energía geotérmica de baja entalpía es una
de las nuevas tendencias en los sistemas de
climatización que utilizan energía renovable y que
cada vez tendrán más auge en nuestro país
debido a sus altas prestaciones y confort. Como
puntos más destacables de esta tecnología
podemos señalar el alto rendimiento medio
energético (C.O.P. >4); la disminución del efecto
invernadero y el ahorro en emisiones de CO2;
los periodos de amortización entre 7 y 9 años; el
aprovechamiento de calor residual durante las
épocas estivales; el nulo impacto paisajístico; y,
por último, los bajos costes de mantenimiento.
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