climatización geotérmica de un edificio - IIT
Anuncio
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICA DE UN EDIFICIO AUTOR: CARLOS SANZ JIMENO MADRID, JUNIO DE 2010 A la memoria de mi tío Urbano, que en Abril de 2010 cruelmente nos dejó, llevándose consigo los mejores recuerdos de una infancia. Mi agradecimiento a D. Julio, por haberme ayudado con su experiencia y conocimientos en la realización de este proyecto. RESUMEN DEL PROYECTO iv CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICA DE UN EDIFICIO Autor: Sanz Jimeno, Carlos. Director: Montes Ponce de León, Julio. Entidad Colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia de Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO En el presente proyecto se va a estudiar la climatización de un edificio situado en la calle María Blanco de Madrid aprovechando el calor de baja temperatura del subsuelo. En la climatización geotérmica se utiliza el subsuelo como manantial de calor. Así, en función de la etapa del año en la que estemos, transmitiremos calor a la vivienda procedente del subsuelo (invierno), y transportaremos calor de la vivienda al subsuelo (verano) mediante una bomba de calor. Primeramente se ha evaluado las necesidades térmicas de la vivienda en cuestión, tomando como referencia la climatología del lugar, las características constructivas y unas condiciones de confort preestablecidas. Hay que destacar que es una vivienda que tiene proyectada su construcción, pero al no estar construida aún, su climatización por geotermia es más viable. La parcela donde estará situada consta de 195,26 . La superficie total a construir es de 241,03 , de los cuales son útiles 199,48 . Con los datos de la vivienda, tanto de fachadas (materiales y orientación), plantas, habitaciones, huecos, cubierta, además de las condiciones climatológicas de la zona, se calculan las pérdidas térmicas en función de la época del año (en invierno se debe tener en cuenta las infiltraciones y la transmisión, mientras que en verano la radiación solar e internas, transmisión e infiltraciones). Teniendo en cuenta estas particularidades de la vivienda, se obtienen sus necesidades energéticas, siendo estas de 5,70kW para el verano y 9,77kW para el invierno. La bomba de calor geotérmica, así como toda la instalación estará dimensionada para el periodo invernal al ser el momento del año en el que se necesita más potencia. Las características del subsuelo de dicha área, que será la fuente y sumidero de calor son las siguientes: una primera capa hasta los 0,6 metros de profundidad compuesta de rellenos arenoarcillosos marrones y restos antrópicos; y una segunda capa desde los 0,6 metros de profundidad de arcillas arenosas marrones con algo de gravas que conforme aumenta la profundidad, aumenta su consistencia. Una vez obtenidas las necesidades energéticas, se elegirá la bomba de calor geotérmica necesaria para satisfacer los requerimientos energéticos de la vivienda, los sistemas de calefacción y refrigeración, instalación del ACS y el sistema de intercambio de calor con el subsuelo. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS RESUMEN DEL PROYECTO v Se ha escogido la bomba de calor TERRA 10 S/W-HGL-P que es la que tiene una mejor relación técnico-económica. En cuanto a la distribución del calor por la vivienda, teniendo en cuenta que es una vivienda no construida, será por suelo radiante. Con él, se conseguirá una mayor uniformidad e inercia en la distribución del calor por el habitáculo. El sistema de refrigeración durante los meses de verano será producido por fan coils. Es el sistema más conveniente puesto que el frío va de arriba hacia abajo. El intercambio de calor con el subsuelo se realizará a través de unos colectores encargados de transportar el fluido que intercambia el calor con el subsuelo. Por norma general, los colectores son de polietileno y el fluido que transportan está compuesto por agua (70%) y de anticongelante (30%). Dicho intercambio se realiza en base a las propiedades del fluido, resistencia térmica del tubo y la tierra y el coeficiente de convección del fluido. La distribución de los colectores será horizontal. Una vez seleccionados todos los sistemas de la instalación necesarios, se evalúa su coste para analizar la viabilidad económica del proyecto. Además se realizan una serie de comparaciones en cuanto a la rentabilidad económica y ecológica con otros sistemas de climatización. En dicho estudio, se puede apreciar que la inversión inicial de la energía geotérmica es mayor que en los demás sistemas (si bien es cierto que con las subvenciones se atenúa), pero el ahorro anual en el consumo hace que la inversión sea rentable amortizándose en 12 años en el peor de los casos (comparándola con la caldera de gas natural sin obtener la subvención la energía geotérmica). COMPARATIVA DE COSTES ANUALES 2500 2000 1500 1000 500 0 Fig. 1. Comparativa costes anuales UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS RESUMEN DEL PROYECTO vi En cuanto a términos ecológicos, la bomba de calor presenta mayores ventajas respecto a gas natural, propano y gasóleo en lo que a emisiones de Fig. 2. Comparativa emisiones se refiere. emitidas a la atmósfera Como conclusión, se puede decir que es una inversión que resulta rentable comparándola con cualquier tipo de sistema de climatización, incluso con el gas natural, siendo la ventaja menor (a los 8 años se amortizaría la inversión en el caso de que se hubieran concedido las subvenciones). Aún así, hay que destacar que la tendencia del precio del gas natural es a aumentar con el paso de los años y por tanto, una climatización geotérmica sería aún más rentable si cabe. Como principales ventajas de esta energía aparte de las ya mencionadas anteriormente, cabría destacar que es una energía económica, continua, eficiente y local. Además, gracias a que unos metros por debajo del suelo la temperatura se mantiene constante a lo largo del año, se podrán instalar bombas de calor de menor capacidad que si nos guiáramos en el dimensionado por la temperatura del ambiente exterior donde las condiciones son más penalizadoras. Las otras características principales que pueden hacer a esta energía más atrayente que el resto de las renovables es su continuidad y su descentralización. En energías como la solar o la eólica, hay grandes variaciones en el rendimiento dependiendo el momento del día o mes. La energía geotérmica depende de las características del subsuelo y estas no varían con el tiempo. Además, la podemos encontrar en cualquier lugar del mundo, no está adjunta a determinadas zonas, si bien es cierto que en la actualidad no se encuentra muy desarrollada en España. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS PROJECT SUMMARY vii GEOTHERMAL AIR-CONDITIONING OF A BUILDING Author: Sanz Jimeno, Carlos. Supervisor: Montes Ponce de León, Julio. Organization: ICAI-Universidad Pontificia de Comillas. PROJECT SUMMARY In this Project, we will analyze how to take advantage of low-temperature subsoil heat for the air-conditioning of a building located in the street María Blanco in Madrid. In geothermal air-conditioning, the subsoil is used as a heat source. Depending on the time of year, heat is transmitted from the subsoil to the building (in winter) or else heat is transferred from the building to the subsoil (in summer) by means of a heat pump. We started by evaluating the thermal needs of the building according to the site climatology, the building features and certain pre-established comfort conditions. Since we are dealing with a dwelling that has not yet been built, geothermal air-conditioning is more feasible. The plot where the building will be located has an area of 195.26 Sq. M. Total construction area is 241.03 Sq. M., of which 199.48 Sq. M. are usable surface. Based upon the building data—facades (materials and exposure), floors, rooms, hollows, roof—and upon local climate conditions, thermal losses are computed for each time of year (in winter, infiltrations and transmission must be taken into account, whereas in summer solar and internal radiations need to be considered, along with transmission and infiltrations). The energetic requirements of the building, with the above-mentioned features, are as follows: Power required in summer: 5.70 kW/Power required in winter: 9.77 kW The geothermal heat pump, as well as the whole installation, is adjusted to winter conditions, when more power is required. The site subsoil, to be used as the heat source and sink, has the following features: a first layer, to a depth of 0.6 meters, is made up by brown sand and clay deposits, and anthropic sediments; a second layer, deeper than 0.6 meters, consists of brown sandy clays with gravel, and becomes more and more consistent as it gets deeper. Once the energetic requirements have been established, a geothermal heat pump is chosen to meet the energetic needs of the building, its heating and cooling systems, ACS installation and subsoil heat exchanger. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS PROJECT SUMMARY viii The TERRA 10 S/W-HGL-P heat pump, with the best technical-economic ratio, was selected. Since the building is still a project, a radiant floor can be used to distribute heat around the dwelling. This type of floor allows greater uniformity and inertia in heat distribution. In the summer months, cooling is achieved through fan coils. This is the most appropriate cooling system as cold air is sent down and, with a cooling floor, it remains close to the floor. Heat exchange with the subsoil is achieved through a series of collectors carrying the fluid which takes heat from and to the subsoil. As a general rule, collectors are made of polyethylene, and the carried fluid consists of water (70%) and antifreeze (30%). Heat exchange depends on the fluid properties, the pipe and ground thermal resistance, and the fluid convection rate. Collectors are horizontally distributed. Once all the required installation systems have been selected, their cost is evaluated to assess the economic feasibility of the project. On the other hand, a series of comparisons are carried out with other air-conditioning systems in relation to economic and ecological profitability. This study shows a greater initial investment with geothermal energy compared to other systems (though it decreases as a result of subsidies). Annual savings in consumption makes the investment profitable, since in the worst scenario it is recovered in 12 years (compared to a natural gas boiler without any subsidy for geothermal energy). ANNUAL COST COMPARASION 2500 2000 1500 1000 500 0 Fig. 3. Comparative table of annual costs UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS PROJECT SUMMARY ix From an ecological standpoint, the heat pump has greater advantages than natural gas, propane and fuel oil with regard to CO2 emissions. Fig. 4. Comparative table of CO2 emissions to the atmosphere By means of conclusion, it can be stated that this investment is profitable compared to any kind of air-conditioning system, including natural gas, which shows a smaller comparative advantage: the investment would be recovered in 8 years if subventions had been granted. Even so, the trend of natural gas prices is to increase with the passing of years. Therefore, geothermal air-conditioning would be even more profitable. Apart from the advantages already mentioned, this kind of energy is inexpensive, continuous, efficient and local. Furthermore, at a few meters below ground level, the temperature keeps constant throughout the year, which allows installing heat pumps of lesser capacity compared to the more penalizing conditions imposed by outdoor temperature. Continuity and decentralization are other important features of geothermal energy that make it more attractive than other renewable energies. In solar and eolic energies, the output shows great variations depending on the time of day and month of the year. Geothermal energy depends on the subsoil features, and these do not vary with time. On the other hand, it can be found in any place of the world and is not limited by climate conditions to specific areas. However, this type of energy is not yet widely used in Spain. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE x ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA………………………………………………………..………….………......2 1.1. Energía Geotérmica……………………………………………………………………………………………….2 1.2. Energía Geotérmica de Baja Entalpía. Calor de Baja Temperatura…………………………2 1.2.1. Climatización de viviendas……………………………………………………………………..….3 1.2.2. Captación…………………………………………………………………………………………….……4 1.2.3. Ventajas…………………………………………………………………………………………………….6 1.2.4. Inconvenientes…………………………………………………………………………………………..7 1.3. Normativa para instalaciones geotérmicas de baja entalpía aplicadas a climatización de viviendas en la Comunidad Autónoma de Madrid……………………….7 1.4. Introducción a las distintas etapas de una instalación geotérmica.…….…………………8 1.4.1. Diseño……………………………………………………………………………………………………….9 1.4.2. Perforación……………………………………………………………………………………………..12 1.4.3. Colectores……………………………………………………………………………………..…………13 2. CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR……………………………….…………..………..16 2.1. Introducción……………………………………………………………………………………………………..…17 2.2. Características constructivas de la edificación……………………………………………………..17 2.3. Condiciones climatológicas y geológicas………………………………………………………………23 2.3.1. Condiciones climatológicas………………………………………………………………………23 2.3.2. Condiciones geológicas……………………………………………………………………………24 2.3.2.1. Trabajo realizado por DCI………………………………………………………………….24 2.3.2.2. Marco geológico…………………………………………………………………………….…25 2.3.2.3. Nivel freático…………………………………………………………………………………..…29 2.3.2.4. Clasificación geológico-geotérmica del área perteneciente a la calle María Blanco 3 de Madrid…………………………………………………………………29 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE xi 2.4. Horarios de funcionamiento, ocupación y cálculo de caudales de aire exterior..…32 2.5. Cálculo de las necesidades…………………………………………………………………………………..32 2.5.1. Caracterización y cuantificación de las exigencias……………………………………34 2.5.2. Cálculo y dimensionamiento……………………………………………………………………37 2.5.2.1. Parámetros característicos…………………………………………………..………..…39 2.5.2.2. Cálculo de la potencia….……………………………………………………………………51 2.5.2.2.1. Cálculo de las pérdidas por transmisión……………………………..…52 2.5.2.2.2. Cálculo de las pérdidas por infiltración………………………………….53 2.5.2.2.3. Pérdida total de carga………………………………………………………..…53 2.6. Resumen de las necesidades térmicas…………………………………………………………………54 3. ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO…………………………………………………………….……..56 3.1. Introducción………………………………………………………………………………………………………..57 3.2. Bomba de calor geotérmica…………………………………………………………………………………57 3.2.1. Componentes…………………………………………………………………………………..……..57 3.2.2. Ciclos de calefacción y refrigeración……………………………………………………..…58 3.2.3. Operación bomba de calor………………………………………………………………………61 3.2.4. Bomba de calor geotérmica………………………………………………………………….…64 3.2.5. Selección bomba de calor……………………………………………………………………..…65 3.3. Sistema de calefacción…………………………………………………………………………………….…..65 3.3.1. Elección distribución de calor…………………………………………………………………..66 3.3.2. Instalación de la calefacción y ACS…………………………………………………….…..70 3.3.3. Instalación del suelo radiante………………………………………………………………….76 3.4. Refrigeración……………………………………………………………………………………………………….81 3.5. Colectores……………………………………………………………………………………………………………82 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO………………………………………………….……………………86 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE xii 4.1. Introducción………………………………………………………………………………………………………..87 4.2. Presupuesto………………………………………………………………………………………..….…………..87 4.2.1. Bomba de calor……………………………………………………………………………………….88 4.2.2. Sistema de intercambio de calor con el subsuelo………….………….…..…………89 4.2.3. Sistema de calefacción………………………………………………………………….…………89 4.2.4. Sistema de refrigeración……………………………………………………………….…………91 4.2.5. Puesta en funcionamiento…………………………………………………………..…………..91 4.2.6. Perforaciones……………………………………………………………………………..……………92 4.3. Subvenciones………………………………………………………………………………………..………….…96 4.4. Estudio comparativo……………………………………………………………………………………………98 4.4.1. Estudio de la viabilidad económica………………………………………………...………98 4.4.2. Análisis del periodo de retorno de la inversión………………………………….……100 4.4.3. Estudio de emisiones de …………………………………………………………………102 5. BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN………… ……………………………………………….…………104 A. PROPIEDADES HIGROMÉTRICAS DE LOS MATERIALES…………………………………………..111 B. RESISTENCIAS TÉRMICAS SUPERFICIALES …………………………………………………..…..……118 C. CATÁLOGOS …………………………………………………………………………………………………………120 D. DATOS DE REFERENCIA EMPLEADOS EN LOS ESTUDIOS…………………………..……………124 E. B.O.C.M………………………………………………………………………………………………….…………….126 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE DE FIGURAS xiii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 5. Distribución de la temperatura hasta 20 metros de profundidad *IGA+………………………2 Figura 6. Balance radiactivo *GIROD+………………………………………………………………………………………..3 Figura 7. Captación vertical *ELEC+……………………………………………………………………………………………4 Figura 8. Captación horizontal *ELEC+……………………………………………………………………………………….5 Figura 9. Captación mediante aguas subterráneas *ELEC+………………………………………………………..5 Figura 10. Situación de la vivienda [dap-arquitectos]………………………………………………………………18 Figura 11. Planta sótano [DAP+…………………………………………………………………………………………….…19 Figura 12. Planta baja *DAP+……………………………………………………………………………………………………19 Figura 13. Primera planta *DAP+…………………………………………………………………………………………..…20 Figura 14. Cubierta *DAP+…………………………………………………………………………………………………….…20 Figura 15. Fachada Norte *DAP+………………………………………………………………………………………………21 Figura 16. Fachada Sur *DAP+…………………………………………………………………………………………………21 Figura 17. Fachada Este *DAP+…………………………………………………………………………………………………22 Figura 18. Fachada Oeste *DAP+……………………………………………………………………………………………..22 Figura 19. Carpintería *DAP+……………………………………………………………………………………………………23 Figura 20. Encuadre geológico de la zona de estudio [DCI]……………………………………………………..28 Figura 21. Levantamiento de sondeos [DCI]……………………………………………………………………………31 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE DE FIGURAS xiv Figura 22. Perfil estratégico del terreno [DCI]…………………………………………………………………………32 Figura 23. Ventana 1 *DAP+………………………………………………………………….…………………………………42 Figura 24. Puerta acristalada PE-2 [DAP]…………………………………………………………………………………43 Figura 25. Caja de persianas *DAP+………………………………………………………………………….………………45 Figura 26. Potencia necesaria [W] debido a la transmisión de las paredes……………………………..54 Figura 27. Ciclos de calefacción y refrigeración…………………………………………………………….…………60 Figura 28. Funcionamiento ideal de la bomba de calor………………………………………………..…………61 Figura 29. Funcionamiento real de la bomba de calor……………………………………………………….……62 Figura 30. Tipos de bombas de calor……………………………………………………………………………….………64 Figura 31. Instalación suelo radiante………………………………………………………………………………………68 Figura 32. Esquema de la instalación [ENERTRES]…………………………………………………………………..71 Figura 33. Bomba de calor geotérmica [ENERTRES]………………………………………………………………..72 Figura 34. Tecnología patentada HGL®TECHNIK [ENERTRES]…………………………………………………..74 Figura 35. Acumulador Hygienik 825/25 [ENERTRES]………………………………………………………………75 Figura 36. Módulo de producción de ACS instantánea [ENERTRES]…………………………………………76 Figura 37. Fan-coil modelo MSZFD25VASE1 *ECI+…………………………………………………………..……….82 Figura 38. Set de captación horizontal [ENERTRES]…………………………………………………………………83 Figura 39. Imagen virtual de la vivienda………………………………………………………………………………….94 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE DE FIGURAS xv Figura 40. Comparativa de costes anuales (€)………………………………………….……………………..……..99 Figura 41. Ahorro total acumulado (€) en 15 años …………………………………..………….......…………100 Figura 42. Amortización de la bomba de calor geotérmica en comparación con otros sistemas…………………………………………………………………………………………………………………………….…102 Figura 43. Comparativa de las emisiones emitidas a la atmósfera *ENERTRES+……………………103 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE DE TABLAS xvi ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Temperaturas en dicha área a lo largo de los últimos años [AEMET]………………………..24 Tabla 2. Porcentajes de grosor *DCI+……………………………………………………………………………………....27 Tabla 3. Aplicabilidad de la opción simplificada……………...…………………………………………………..….33 Tabla 4. Parámetros límite zona climática D3 [HE1]………………………………………………………………..35 Tabla 5. Parámetros límite transmitancia [tabla 2.1 HE1]………………………………………………..……..36 Tabla 6. Definición de la envolvente térmica………………………………………………………………………….38 Tabla 7. Ejemplo cerramiento en contacto con el aire exterior…………………………………….…………40 Tabla 8. Ficha justificativa de la opción simplificada……………………………………………………………….46 Tabla 9. Ficha justificativa de la opción simplificada……………………………………………………………….48 Tabla 10. Comprobación de U de componentes……………………………………………………………………..49 Tabla 11. Comprobación de los valores característicos medios……………………………………………….50 Tabla 12. Parámetros límite en el interior de la vivienda……………………………………………..…………51 Tabla 13. Temperaturas usadas para el cálculo ………………………………….………………………………….52 Tabla 14. Potencia necesaria [W] en verano e invierno…………………..………………………………………55 Tabla 15. Datos técnicos de la bomba [ENERTRES]…………………………….……………………………………65 Tabla 16. Aproximación de presupuesto para radiadores convencionales…………………..…………67 Tabla 17. Aproximación de presupuesto para suelo radiante…………………………………….………….69 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ÍNDICE DE TABLAS xvii Tabla 18. Datos técnicos de la bomba [ENERTRES]………………………………………………………………….73 Tabla 19. Datos técnicos ACS *ENERTRES+……………………………………..……………………………………….76 Tabla 20. Condiciones estudio ENERTRES [ENERTRES]…………………………………………………………….76 Tabla 21. Distintas opciones de la instalación del suelo radiante [ENERTRES]…………………………80 Tabla 22. Presupuesto de los aparatos que controlan la temperatura [ENERTRES]…………………81 Tabla 23. Datos del set de captación horizontal……………………………………………………………….…....84 Tabla 24. Presupuesto de los componentes básicos para la instalación *ENERTRES+….………….88 Tabla 25. Presupuesto de los componentes OPCIONALES [ENERTRES]…………………..…….…..……88 Tabla 26. Presupuesto de los componentes básicos para la captación horizontal *ENERTRES+…………………………………………………………………………………………………………………………….89 Tabla 27. Presupuesto de los componentes del sistema de calefacción [ENERTRES]………………90 Tabla 28. Presupuesto de los aparatos que controlan la temperatura *ENERTRES+…………………90 Tabla 29. Presupuesto de la puesta en marcha de la instalación…………………………………………….91 Tabla 30. Presupuesto de las perforaciones………………………………………………..…………….……………93 Tabla 31. Presupuesto total sin la aplicación de las subvenciones…………………………………………..95 Tabla 32. Año en el que se amortiza la instalación geotérmica en función del sistema con el que se la compara…………………………………………………………………………………………………………….…………102 Tabla 33. Propiedades higrométricas de los materiales………….……………………………….……………112 Tabla 34. Resistencias térmicas superficiales de particiones interiores en UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ….…………119 ÍNDICE DE TABLAS xviii Tabla 35. Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el aire exterior en …………………………………………………………………………………………………………………………119 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1 Introducción. Geotermia. 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 2 1. INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 1.1 Energía geotérmica La energía geotérmica es aquella energía que se puede obtener mediante el aprovechamiento de calor del interior de la Tierra. Cuando se habla de calor en el interior de la tierra engloba al calor que se almacena en rocas, suelos y aguas subterráneas con total independencia de su temperatura, procedencia o profundidad. Dicha energía tiene la gran ventaja sobre el resto de las renovables en su alto grado de disponibilidad y por consiguiente su mayor facilidad de predicción y aporte constante facilitando así su explotación. 1.2 Energía Geotérmica de Baja Entalpía. Calor de Baja Temperatura La energía geotérmica de baja entalpía basa sus aplicaciones en la capacidad que el subsuelo posee de acumular calor y de mantener una temperatura sensiblemente constante, entre los 10 y 20 m de profundidad, a lo largo de todo el año (dicha temperatura rondará los 10°C variando en función de la zona). No ocurre así a menor profundidad donde es afectada por la temperatura ambiente. Todo esto se aprecia muy bien en la figura 5. Fig 5. Distribución de la temperatura hasta 20 metros de profundidad [IGA] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 3 Debido a que el contenido en calor de los recursos geotérmicos de baja entalpía es insuficiente para producir energía eléctrica, aquellos recursos con temperaturas por debajo de 100°C pueden ser utilizados para producción de agua caliente sanitaria y climatización de edificios, además de procesos industriales y agroindustriales. Para ello se ayuda de un sistema de bomba de calor. Fig 6. Balance radiactivo [GIROD] 1.2.1 Climatización de viviendas Para la climatización de edificios, resulta de mayor utilidad el uso de energía geotérmica de baja temperatura. Durante el verano, la vivienda tiene necesidad de extracción de calor, por tanto el subsuelo se comporta como sumidero. Al contrario ocurre durante el invierno, donde se revierte la situación. La vivienda tiene necesidades de aporte de calor, luego el subsuelo se comporta como un manantial de calor aportándolo a través de unos intercambiadores de calor. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 4 1.2.2 Captación Según lo descrito en los puntos anteriores, estamos hablando de una energía renovable a nuestro alcance durante todo el año. Dicha energía se puede obtener gracias a unos captadores de energía o colectores por los cuales circulará el fluido, normalmente agua glicolada, que al ponerse en contacto con el subsuelo, captarán o cederán energía como consecuencia de un salto térmico entre el fluido y el terreno. También es posible extraer las aguas subterráneas para intercambiar calor. Los distintos sistemas que se pueden emplear para la captación de la energía geotérmica son los siguientes: I. Captación vertical Mayor coste de instalación debido a la necesidad de excavar pozos en el terreno. Como ventaja, necesitan menos superficie disponible para su instalación. Cuando se instalan más de un pozo se han de conectar de tal modo que exista una distribución del flujo de agua equilibrada. Fig 7. Captación vertical [ELEC] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. II. 5 Captación horizontal Es el más sencillo de instalar pero presenta una serie de restricciones puesto que necesita mucha superficie disponible para su instalación. Fig 8. Captación horizontal [ELEC] III. Aguas subterráneas El agua subterránea es extraída de un pozo mediante una bomba, captando su calor. A continuación es devuelta al acuífero a través de otro pozo. Se pude considerar al agua subterránea como la fuente ideal de calor puesto que se mantiene a la misma temperatura todo el año. Fig 9. Captación mediante aguas subterráneas [ELEC] IV. Lagos y ríos UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 1.2.3 Ventajas Coste mínimo del ciclo de vida o Bajo coste de mantenimiento o Bajo coste de operación Ahorro energético o Hasta 70% en calefacción o Hasta 50% en refrigeración Sistema ecológico o Energía renovable o Balance energético integral positivo: ≥120% o Circuito cerrado o uso no consuntivo de agua o Reduce emisiones Flexibilidad en todo tipo de climas Calefacción y refrigeración simultánea Sin combustión. Sin depósitos Reducción puntas de consumo eléctrico Montaje en el interior del edificio, sin tomas de aire ni retornos o Bajo nivel de ruido o No torres de refrigeración ni aeroventiladores o Necesidades de espacio reducidas o Vida superior del equipo Funciona en circuito cerrado: no legionella Vida de los sondeos mínimo de 50 años Robustez y fiabilidad mecánica UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 6 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 7 Compatible y adicional a otras EERR “El intercambio geotérmico es la tecnología de climatización de edificios energéticamente más eficiente y menos contaminante”. EPA (1993) 1.2.4 Inconvenientes Elevado coste inicial: amortización de 5 a 15 años en función de la instalación y de con qué tipo de energía se compare Limitación de la temperatura de uso: 55°C - 65°C Afecciones en fase de obras o Ocupación y afección del terreno o Enturbiamiento, espumas y lodos o Escorrentías o Ruidos 1.3 Normativa para instalaciones geotérmicas de baja entalpía aplicadas a climatización de viviendas en la Comunidad Autónoma de Madrid Una instalación geotérmica de baja entalpía cuya finalidad sea dotar a los edificios de calefacción, climatización o ACS tiene los siguientes requisitos legales: I. Deberá ser registrada siguiendo las pautas que utilice una fuente de energía convencional. II. La realización de la perforación requiere la autorización desde el punto de vista de la seguridad minera mediante la presentación de un proyecto según las prescripciones recogidas en las normas básicas de seguridad minera. Dicha UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 8 autorización depende de la comunidad autónoma donde se realice la operación, afectando a este proyecto la B.O.C.M, más concretamente la actualización llevada a cabo el 2 de Febrero del 2010 (Anexo E). III. Las características particulares que puede suponer la perforación requerirá previamente que el organismo competente en materia medioambiental se pronuncie sobre los trámites a seguir según su afección al medio ambiente. La primera de las exigencias requerirá la tramitación administrativa que, según las características de la instalación, se establece en la legislación vigente para las instalaciones térmicas en edificios, mientras que para la segunda y la tercera será necesaria la presentación de un proyecto y una memoria resumen respectivamente. 1.4 Introducción a las distintas etapas de una instalación geotérmica Una instalación geotérmica ha de estar muy bien diseñada para poder alcanzar tres objetivos básicos: Economía: Sin un buen diseño, los consumos energéticos finales podrían ser superiores a lo que el sistema es capaz de ofrecer; por tanto, un correcto dimensionamiento de todo el sistema es fundamental para conseguir ahorros importantes. Ecología: Cuanto más ahorremos en nuestro consumo de energía menos afectaremos al medio ambiente. Confort: Obtener durante todo el año la temperatura deseada y el ACS necesaria sin tener que estar pendiente del sistema de climatización. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 9 A continuación se resumen las tres grandes etapas en las que se divide un proyecto de estas características: 1.4.1 Diseño El principal objetivo en la climatización de una vivienda es el satisfacer sus necesidades térmicas para lograr el confort de su habitabilidad optimizando al máximo posible el ahorro energético que repercute en la economía. Para dimensionar las bombas de calor hay que tener en cuenta varios factores: Localización de la vivienda con sus respectiva climatización y condiciones geológicas (no hay obstáculos en el subsuelo, hay la suficiente superficie disponible, disponibilidad o no de aguas subterráneas, lagos o ríos, etc.). Tener en cuenta cual será la superficie a climatizar puesto que dentro de una vivienda existen zonas que no necesitan refrigeración (véase cuartos de baño, cocinas, pasillos) y que sin embargo si necesitan calefacción en invierno. Conocer la potencia necesaria para llevar a cabo la climatización de la edificación. Para ello es conveniente estudiar las pérdidas de carga de la vivienda para tener un dato que nos indique el grado de aislamiento. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 10 Indicar que la potencia que es necesaria instalar con una bomba de calor geotérmica es inferior a la potencia que se instala con otros sistemas de calefacción ya que se trata de sistemas con mucha inercia térmica. Conocer el número de personas, distribución de servicios y otros elementos tales como jacuzzis para saber cuál va a ser la demanda de agua caliente sanitaria. Establecer la temperatura de confort interior en la vivienda. Elegir el sistema de distribución de calefacción y refrigeración más conveniente. En el caso de la energía geotérmica el suelo radiante es el mejor sistema de distribución ya que trabaja con saltos térmicos menores a la vez que proporciona una calefacción más homogénea y de mayor inercia térmica. Para la refrigeración lo más conveniente es el uso de fan coils. Varios son los parámetros referidos al sistema de captación: 1. Estudio geológico. Se debe conocer qué tipo de materiales existen en el subsuelo en el lugar donde se va a realizar la captación energética. Según su composición y distribución será más conveniente realizar el intercambio mediante una instalación horizontal o vertical. Para las horizontales hay que saber si será posible técnica y económicamente viable ejecutar las UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 11 zanjas (si es material rocoso que obligue a utilizar martillo y la superficie es muy grande, es posible que sea más rentable las perforaciones). Si se trata de captación vertical, tendremos que saber si existen materiales blandos y/o sueltos (necesarios sistemas de rotación) o si se trata de materiales duros y estables. 2. Es muy importante la conductividad térmica que tenga el terreno. En el caso de realizar captación vertical, es conveniente conocer la conductividad térmica efectiva que presenta la roca. Este dato, es expresado en y nos determina la potencia térmica que podemos extraer de la perforación. Para proyectos con pocas perforaciones como es el caso que nos ocupa, se tendrá que estimar el valor ya que un estudio de conductividad térmica suele ser costoso, por lo que sólo se realizarán en aquellos proyectos que sea necesario hacer un elevado número de perforaciones. 3. En captación horizontal, la superficie disponible que se tenga es un parámetro determinante ya que suele ser necesaria bastante superficie para llevar a cabo la captación energética. La captación vertical tiene esa ventaja sobre la horizontal, y es que la superficie ocupada es menor, pero si el número de perforaciones es grande habrá que tener en cuenta la separación mínima entre ellas para calcular la distribución de las mismas dentro de la parcela. Un valor aproximado de separación entre perforaciones es de 10 m. Como es lógico, el valor dependerá del tipo de terreno presente y de las necesidades de la edificación. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 1.4.2 12 Perforación En todo proyecto de geotermia, la perforación constituye sin duda la fase más crítica y delicada. Es el componente fundamental del sistema geotérmico puesto que es el medio intercambiador del sistema. Una perforación geotérmica ejecutada sin los conocimientos, los equipos y la experiencia adecuada, puede perjudicar seriamente el correcto funcionamiento y la vida de la instalación geotérmica. Además, cabe destacar que la ejecución de las perforaciones supone una parte muy importante en la inversión inicial en toda la instalación geotérmica. Hay que tener muy presente que cualquier fallo cometido en las perforaciones supone el abandono de ellas y la obligación de realizar otras con los consiguientes aumentos en los costes. Para la realización de dicho trabajo, se han de llevar a cabo cumpliendo con lo establecido por las autoridades competentes en materia de Seguridad Minera: Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera. R.D. 836/1985 del 2 de Abril. Instrucciones Técnicas Complementarias del Capítulo VI del R.G.B.B.S.M. Además de las anteriormente mencionadas que son de uso estatal, existen otras de uso autonómico como las de la D.G. de Industria, Energías y Minas. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 1.4.3 13 Colectores Decidido el tipo de perforación a ejecutar y el tipo de tubo que sería conveniente introducir, se coloca el colector encima del carrusel con las aspas interiores bajadas para que una vez que esté en su sitio, se suban las aspas interiores estabilizándolo. El carrusel se coloca a unos 5-10 metros de la boca de la perforación con el brazo guía apuntando de tal forma que el colector corra libremente en dirección de la perforación. Es conveniente realizar esta operación antes de llenar el colector puesto que después, el peso se hace más difícil de manipular. A continuación se procede al llenado del colector con BRINE. El BRINE consiste en una mezcla de agua (70%) y anticongelante (30%). Hay que percatarse de si existen fugas. De ser así se pueden deber a que el colector se dañase durante el transporte. Una vez lleno, se tapan las puntas del colector con las tapas amarillas y cinta aislante. En caso de que la perforación esté hecha en terrenos blandos, es aconsejable agregar un peso para enderezar la punta que de otra forma puede ir rozando las paredes y derrumbando la perforación. Hay que percatarse de la existencia de agua a unos 20 metros de la superficie como mínimo antes de introducir el colector. En el caso de que no exista agua, se llena con una manguera. Es importante que tenga agua la perforación porque el captador necesita presión exterior que compense la presión interior. Además, también es importante para que el colector no se caiga en la perforación causando UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 14 daños al propio colector y a los operarios que manipulan el carrusel. Se coloca la guía mecánica, y en ella, el colector, para posteriormente meterlo en la perforación (de no existir dicha máquina, el colector se mete a mano desenrollándolo lentamente entre varias personas sin que se dañe). Puntualizar también que es aconsejable dejar el colector al sol durante un pequeño periodo de tiempo para que no esté muy frío y así pueda ser más fácil su manipulación. Si hay agua en el pozo y el nivel freático es estable a unos 5-20 metros, y además se sabe seguro que la perforación no se va a derrumbar (perforación en roca) no hace falta rellenar el pozo y se puede meter un colector con diámetro estándar. Sin embargo, con poco agua y en sondeos que se van a derrumbar o se van a rellenar hay que usar diámetros mayores y refuerzos en las paredes. Colocar un tubo de acero hasta la roca y en la superficie poner una tapa que sella herméticamente la boca del sondeo. Así, nos aseguraremos el aislamiento de la boca de la perforación si no se va a rellenar. Si no hay agua, hay que rellenar la perforación con arena o betonita para asegurarse del buen contacto entre la roca y el colector. Esto depende del emplazamiento de cada proyecto. En el caso de haber más de una perforación hay que regular los caudales de cada colector. Se deben soldar los colectores a los tubos divisores. Esta es una parte crítica de la instalación que tiene que garantizar un buen funcionamiento año tras UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 1.INTRODUCCIÓN. GEOTERMIA. 15 año. Si los flujos de líquido en las perforaciones son diferentes, no se aprovechará la energía que está dimensionada para la instalación. La bomba de calor geotérmica puede ocupar cualquier lugar de la vivienda puesto que, al no existir combustión, no necesita sistemas de ventilación. El área que ocupa en una instalación de hasta 16 kW (este proyecto entra en dicho grupo) es aproximadamente de un metro cuadrado. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2 Condiciones de la Vivienda a Climatizar 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 17 2. CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR. 2.1 Introducción En este segundo capítulo se muestran las características y necesidades más relevantes de la vivienda a climatizar así como todo su entorno (emplazamiento, climatología, composición del suelo, orientación, etc.). 2.2 Características constructivas de la edificación Se trata de una vivienda unifamiliar situada en la calle María Blanco 3, urbanización “Puerta de Hierro” de Madrid. La parcela donde estará situada consta de 195,26 superficie total a construir es de 241,03 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS , de los cuales son útiles 199,48 . . La 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 18 Fig 10. Situación de la vivienda [dap-arquitectos] La vivienda está dividida en tres plantas (sótano, planta baja y primera planta) y una cubierta. Dispone de una piscina exterior de 28,79 69,56 , un garaje en el interior del sótano de y ascensor. La altura libre de las plantas es de 2,52m para la plata baja y la primera planta, y de 2,30m para el sótano. Como se puede observar en las figuras 11, 12, 13 Y 14 las distintas plantas están compuestas de las siguientes habitaciones: Sótano: Garaje, ascensor, estudio, aseo, habitación y pasillo. Planta baja: Ascensor, aseo, cocina, salón, cuartillo y descansillo. Primera planta: Baño, aseo, ascensor, habitación1, habitación2, habitación3 y pasillo. Cubierta UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Fig 11. Planta sótano [DAP] Fig 12. Planta baja [DAP] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 19 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Fig 13. Primera planta [DAP] Fig 14. Cubierta [DAP] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 20 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR En las figuras 15, 16, 17 y 18 se muestran las distintas fachadas de la vivienda: Fig 15. Fachada Norte [DAP] Fig 16. Fachada Sur [DAP] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 21 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Fig 17. Fachada Este [DAP] Fig 18. Fachada Oeste [DAP] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 22 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 23 En la figura 19 se pueden observar las características dimensionales de las puertas y acristalamientos. Fig 19. Carpintería [DAP] 2.3 Condiciones climatológicas y geológicas Como ya se mencionó anteriormente, la vivienda se encuentra en la calle María Blanco de Madrid. Destacar que la ciudad de Madrid se encuentra a 667 metros sobre el nivel del mar. 2.3.1 Condiciones climatológicas Consultando los documentos de la agencia estatal de meteorología nos encontramos con que las máximas y mínimas absolutas alcanzadas a lo largo de los últimos años son las siguientes: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 24 Tmax [°C] Mes Tmin [°C] Mes 2007/08 38 Agosto08 2,8 Diciembre07 2006/07 36,9 Agosto07 -1,5 Enero07 2005/06 37,6 Julio06 -2,8 Enero06 2004/05 38 Agosto05 -6,1 Enero05 2003/04 38,4 Agosto04 -2,6 Marzo04 Tabla 1. Temperaturas en dicha área a lo largo de los últimos años [AEMET] Siendo 38,4 °C y -6,1 °C las temperaturas máxima y mínima respectivamente alcanzadas durante los últimos años. Estos valores representan las condiciones más desfavorables de la zona y por tanto son los utilizados para el cálculo de las cargas térmicas. Además cabe destacar que la humedad relativa es del 45% para las condiciones de verano. 2.3.2 Condiciones geológicas Las condiciones geológicas son muy importantes puesto que en función de la composición del terreno variarán los coeficientes de conductividad térmica que afectan a la transmisión de calor. El informe fue elaborado por DCI DireControl Ingeniería, S.L. para daparquitectos y consistió en la realización de un estudio geológico-geotécnico del subsuelo de la parcela situada en la Calle María Blanco n°3, de la Urbanización “Puerta de Hierro”, dentro del municipio de Madrid. La parcela, de forma regular y con una superficie catastral de 160 m², presenta una topografía subhorizontal y a la misma cota que la rasante de la calle. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 25 2.3.2.1 Trabajo realizado por DCI El estudio de DCI se basó en el CTE. DB-SE-C, y realizó el siguiente plan de trabajo: Penetraciones dinámicas tipo D.P.S.H. (UNE 103-801:94) Sondeos Toma de muestras del terreno Ensayos de laboratorio 2.3.2.2 Marco geológico Las características geológico/geotécnicas de la zona son las siguientes: La cubeta alta del Tajo o Cuenca de Madrid, actuó como una cuenca endorreica, receptora de los materiales producidos por la erosión de los relieves circundantes. En esta, se diferencia de forma nítida la variación lateral de los sedimentos: facies de interior (o de centro de cuenca), de transición o intermedia y facies de borde: 1. Unidad Inferior. Constituida por los depósitos más antiguos de la cuenca, consta de: Facies de borde: Grandes bolos o bloques que hacia el Sur pasan a arcosas con intercalaciones de arcillas. Facies de Transición: Materiales arcillosos y areno arcillosos con finos niveles de yesos. Facies de Centro: La litología predominante son los yesos y otras sales, con intercalaciones de arcillas. 2. Unidad Intermedia. Presenta facies con litologías muy similares a la unidad anterior, solamente destacar: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 26 Las facies detríticas de transición están formadas por arcillas verdes, arenas micáceas, dolomías y sílex. Hacia el centro de la cuenca aparecen calizas, dolomías y margas con intercalaciones arcillosas, y en la zona más central predominan los yesos de tipo detrítico, intercalados con yesos masivos y arcillas. 3. Unidad Superior. Está diferenciada por una discordancia erosiva sobre la que se disponen conglomerados, areniscas, fangos, arcillas y margas de potencia variable llegando incluso a no aparecer. Sobre esta unidad detrítica se localiza la unidad conocida como Caliza del Páramo. En la zona de estudio destacan las arcosas y arcillas terciarias de la “Facies Madrid”. Estos depósitos, formados por arenas, arcillas y limos, son un neto predominio de las primeras, son sedimentos detríticos arcósicos, a saber: sedimentos detríticos del tamaño medio de una arena, formada por granos de cuarzo, feldespato y mica, aglomerados por un cemento caolinítico, silíceo o ferruginoso (en el caso de que estén cementados). Los contenidos de feldespato suelen ser mayores del veinticinco por ciento, mientras que el contenido de arcilla suele ser bajo. En función del contenido en arcilla que presentan estos depósitos, localmente, se denominan como: Arenas de miga (arcosas superiores): Se trata de arenas terciarias que presentan menos de un veinticinco por ciento de finos. La zona ocupada por este nivel constituye el treinta por ciento del término municipal de Madrid, y sobre él, se asienta el casco viejo de la ciudad. Toscos (arcosas inferiores): Se trata de arcosas, en las que el contenido de arcilla es superior al veinticinco por ciento. Estos materiales se localizan UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 27 normalmente bajo las arcosas superiores aunque, a veces, se encuentran interestratificados con ellas. DENOMINACIÓN % FINOS Arena de miga <25 Arena Tosquiza 25-40 Tosco arenoso 40-60 Tosco 60-85 Tosco arcilloso >85 Tabla 2. Porcentajes de grosor [DCI] Según el manual anteriormente mencionado, las arcosas y arcillas de la “Facies Madrid” están clasificadas como terrenos con condiciones constructivas favorables con problemas de tipo geotécnico que admiten capacidades de carga media-alta; los posibles asientos son de magnitud media. Son terrenos de permeabilidad variable; ligada esta a la presencia de zonas más arcillosas, constituyen frecuentes encharcamientos temporales, pero no se debe de hablar de problemas hidrológicos extendidos a toda la formación. El drenaje se realiza por percolación natural o por escorrentía superficial si lo permite la pendiente. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Fig 20. Encuadre geológico de la zona de estudio [DCI] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 28 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 29 2.3.2.3 Nivel freático No se detectó la presencia de ningún nivel de agua en el sondeo ni en los penetrómetros realizados para la presente campaña de reconocimientos “in situ”. 2.3.2.4 Clasificación geológico-geotérmicas del área perteneciente a la calle María Blanco 3 de Madrid Nivel 0: Profundidad ±0,60 metros desde el rasante de la calle. Nivel considerado de nula capacidad portante. Relleno areno-arcillosos en tonos marrones y antrópicos (restos procedentes del derribo y/o desecho de obras). Nivel 1: Profundidad de 6,00 metros desde el rasante de la calle. Arcillas arenosas marrones con algo de grava. Según el material “Síntesis geotécnica de los suelos de Madrid y su alfoz”, serían clasificados como toscos arenosos. Su grado de consistencia aumenta con la profundidad. Parámetros geológico-geotécnicos: Ensayos de estado: Humedad natural (H): 8,80 % Densidad húmeda (γH): 1,90 g/ Densidad seca (γS): 1,75 g/ UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 30 Ensayos de identificación: Análisis granulométrico: o Gravas: 3,65 % o Arenas: 42,00 % o Finos: 54,35 % Límites de Atterberg: Límite líquido (LL): 30,95 % Límite plástico (LP): 18,05% Índice de plasticidad (IP): 12,90% Clasificación de casagrande (fracción fina): CL. Clasificación de USCL: Arcillas arenos, mezcla de arcillas y arenas. Ensayos físico-químicos: Agresividad del terreno: No agresivo. Este nivel se considera apto para aumentar sobre él con cargas medias/altas. Su ripabilidad se puede realizar mediante medios convencionales (máquinas retroexcavadoras). UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Fig21. Levantamiento de sondeos[DCI] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 31 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 32 Fig 22. Perfil estratégico del terreno [DCI] 2.4 Horarios de funcionamiento, ocupación y cálculo de caudales de aire exterior Se consideran una media de 8 horas. De acuerdo con ITE 02.11 se dispondrá de un dispositivo de control de la temperatura en la estancia con mayor carga térmica. En invierno el sistema funcionará a diario, si bien el funcionamiento del control determinará las horas del servicio. Se considera invierno los meses que van desde Octubre hasta Abril. El caudal de aire exterior será de una renovación horaria como mínimo según lo establecido en ITE 02.2.2. 2.5 Cálculo de las necesidades Para el cálculo de las necesidades de la casa se utilizó el Código Técnico de la Edificación (CTE), más concretamente el documento Ahorro de Energía (HE). Dicho documento se encuentra dividido en cinco partes. La limitación de demanda energética será la utilizada para el cálculo de las cargas térmicas (HE1). UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 33 En el HE1 primeramente se define su ámbito de aplicación dentro del cual entran los edificios de nueva construcción (el caso que compete a este proyecto). A continuación se deben de realizar una serie de verificaciones para la correcta aplicación. La primera de ellas trata sobre la utilización de la opción simplificada. Está basada en el control indirecto de la demanda energética de los edificios mediante la limitación de los parámetros característicos de los cerramientos y particiones interiores que componen la envolvente térmica. La comprobación se realiza posteriormente a través de la comparación de los valores obtenidos en el cálculo con los valores límite permitidos. Esta opción es aplicable a edificios de nueva construcción que cumplan los siguientes requisitos: La superficie de huecos en cada fachada sea inferior al 60% de su superficie. La superficie de lucernarios sea inferior al 5% de la superficie total de la cubierta. A continuación se muestra la tabla 3, donde se presentan las superficies de fachada y huecos de cada orientación además del porcentaje que representan: Orientación Sup total ( ) Sup huecos ( ) % huecos Norte 43,6 4,1 9,4 Este 58,7 13,09 22,29 Oeste 50,77 8,85 17,43 Sur 44,96 5,29 11,766 Tabla 3. Aplicabilidad de la opción simplificada Además: A_cubierta=39,94 . El 5% equivale a 1,99 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS . 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 34 A_lucernario=0,43 que es menor que el 5% de la cubierta. Al cumplir esta condición y que los porcentajes de los huecos son todos menores del 60%, podemos aplicar la opción simplificada para el cálculo de cargas. 2.5.1 Caracterización y cuantificación de las exigencias 1. La demanda energética de los edificios se determina en función del clima de la localidad en la que se ubican (apartado 3.1.1 del HE1) y de la carga interna en sus espacios (apartado 3.1.2 del HE1). 2. Dicha demanda energética será menor a la correspondiente a un edificio en el que los parámetros característicos de los cerramientos y particiones interiores que componen su envolvente térmica, sean los valores límites establecidos en el propio HE1 (Tablas 2.2 de los valores límite de los parámetros característicos medios en función de la zona climática). A la vivienda tratada en este trabajo le corresponde la zona climática D3 cuyos parámetros límite se muestran a continuación (tabla 2.2 del apartado 2.1 del Documento básico HE): Transmitancia límite de muros y fachadas y cerramientos en contacto con el terreno: =0,66 W/ Transmitancia límite de suelos: =0,49 W/ Transmitancia límite de cubiertas: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS =0,38 W/ 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Factor solar modificado límite de lucernarios: % de Transmitancia límite de huecos 35 =0,28 W/ Factor solar modificado límite de huecos superficie W/ de Carga interna baja Carga interna alta huecos N E/O S SE/SO E/O S SE/SO E/O S SE/SO De 0 a 10 3,5 3,5 3,5 3,5 - - - - - - 3,0(3,5) 3,5 3,5 3,5 - - - - - - 3,5 3,5 - - - 0,54 - 0,57 2,2(2,5) 2,6(2,9) 3,4(3,5) 3,4(3,5) - - - 0,42 0,58 0,45 2,1(2,2) 2,5(2,6) 3,2(3,4) 3,2(3,4) 0,50 - 0,53 0,35 0,49 0,37 1,9(2,1) 2,3(2,4) 3,0(3,1) 3,0(3,1) 0,42 0,61 0,46 0,30 0,43 0,32 De 11 a 20 De 21 a 2,5(2,9) 2,9(3,3) 30 De 31 a 40 De 41 a 50 De 51 a 60 Tabla 4. Parámetros límite zona climática D3 [HE1] 3. Los parámetros característicos que definen la envolvente térmica se dividen en: Transmitancia térmica de muros de fachada Transmitancia térmica de cubiertas Transmitancia térmica de suelos Transmitancia térmica de cerramientos en contacto con el terreno Transmitancia térmica de huecos UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Factor solar modificado de lucernarios Transmitancia térmica de medianerías 36 4. Para evitar descompensaciones entre la calidad térmica de diferentes espacios, cada uno de los cerramientos y particiones interiores de la envolvente térmica tendrán una transmitancia no superior a los valores indicados en la siguiente tabla: Cerramientos y particiones interiores Muros de fachada, particiones interiores en contacto con espacios no Zona D 0,86 habitables, primer metro del perímetro de suelos apoyados sobre el terreno y primer metro de muros en contacto con el terreno Suelos 0,64 Cubiertas 0,49 Vidrios y marcos 3,50 Medianerías 1,00 Tabla 5. Parámetros límite transmitancia [tabla 2.1 HE1] 5. En edificios de viviendas, las particiones interiores que limitan las unidades de uso con el sistema de calefacción previsto en el proyecto y con las zonas comunes del edificio no calefactadas, tendrán cada una de ellas una transmitancia no superior a 1,2 W/ . UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 37 2.5.2 Cálculo y dimensionamiento Conocidas las limitaciones de nuestra vivienda se realiza el cálculo de los parámetros que posteriormente serán comparados con los definidos en el punto anterior para cerciorarnos que no los sobrepasamos. A continuación se define la envolvente térmica (cerramientos que limitan espacios habitables con el ambiente exterior y con los no habitables) de la vivienda. Como espacios no habitables destacamos el garaje y el ascensor, considerando el resto espacios habitables. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Tipo 38 Orientación Contacto Cubierta - Aire exterior Muros->fachada ppal Norte N Aire exterior Muros->fachada post Sur S Aire exterior Muros->fachada Este E Aire exterior Muros->fachada Oeste O Aire exterior Muros->sótano - Terreno Muros->part int garaje/pasillo S Espacio no habitable Suelo->solera - Terreno Suelo->sobre garaje - Espacio no habitable Huecos->acrist N Aire exterior Huecos->acrist S Aire exterior Huecos->acrist E Aire exterior Huecos->acrist O Aire exterior Huecos->puertas acceso->garaje dentro de casa S Espacio no habitable Huecos->puertas acceso N Aire exterior Huecos->puertas acceso S Aire exterior Tabla 6. Definición de la envolvente térmica NOTA: Al ascensor pese a ser un espacio no habitable, no se le ha tenido en cuenta a la hora de definir la envolvente térmica debido a su reducido volumen. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 39 Según el artículo 3.1.2 del HE1, los espacios habitables se pueden clasificar en función de la cantidad de calor disipada en su interior, debido a la actividad realizada y al periodo de utilización de cada espacio. Pueden tratarse de espacios con carga interna alta o baja. En los espacios con carga interna baja se disipa poco calor. Son los espacios destinados a residir en ellos, ya sea con carácter eventual o permanente. En el caso de la vivienda que nos ocupa, todos sus espacios habitables son de carga interna baja. 2.5.2.1 Parámetros característicos A continuación se pasa al cálculo de los parámetros característicos de la demanda (apéndice E del HE1). -Para los cerramientos en contacto con el aire exterior tales como fachadas, cubiertas y suelos la transmitancia térmica U [W/ ] viene dada por: Ec. 2-1 Siendo la resistencia térmica total del componente constructivo [ . Está constituido por capas térmicamente homogéneas. Ec. 2-2 Siendo las resisténcias térmicas de cada capa, las cuales vienen dadas por la expresión R=e/λ, siendo e el espesor de la capa en *m+ y λ la conductividad térmica de diseño de los materiales que componen la capa. Son obtenidos en la tabla de las propiedades higrométricas de los materiales (anexo A). UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 40 las resistencias térmicas superficiales correspondientes al aire interior y exterior respectivamente (anexo B). A continuación se muestra un ejemplo: Tabla 7. Ejemplo cerramiento en contacto con el aire exterior - Según el artículo E.1.2.2 para los suelos en contacto con el terreno existen una serie de tablas en función del ancho de la banda de aislamiento perimétrico, la resistencia térmica del aislante y la longitud característica de la solera o losa B’ (Tabla E.3 y E.4 del HE1). La resistencia térmica del aislante se calcula a través de la expresión mostrada en el punto anterior, mientras que la longitud característica de la solera B’ se calcula mediante la siguiente expresión: B’=2A/P Siendo P el perímetro de la solera en [m] y A el área de la solera en [ UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS Ec. 2-3 ]. 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR -Para los muros en contacto con el terreno la transmitancia térmica 41 de los muros, según el artículo E.1.2.3, se obtendrá de una tabla del apendice E del HE1 en función de la profundidad y de la resistencia térmica del muro calculada mediante lo explicado en puntos anteriores despreciando las resistencias térmicas superficiales (Tabla E.5 del HE1). -Para el cálculo de huecos y lucernarios se tienen en cuenta dos parámetros: la transmitancia térmica de huecos (artículo E.1.4.1) y el factor solar modificado de huecos y lucernarios (artículo E.2). La transmitancia térmica de los huecos se determinará mediante la siguiente expresión: Ec. 2-4 Siendo: la transmitancia térmica de la parte semitransparente [W/ ]. la transmitancia térmica del marco de la ventana, lucernario o puerta [W/ ]. la fracción del hueco ocupada por el marco. El factor solar modificado en el hueco o lucernario se determinará utilizando la siguiente expresión: Ec. 2-5 Siendo: el factor de sombra del hueco o lucernario obtenido en tablas del HE1 en función del dispositivo de sombra. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 42 la fracción del hueco ocupada por el marco en el caso de ventanas o la fracción de la parte maciza en el caso de puertas. el factor solar de la parte semitransparente del hueco o lucernario a incidencia normal. la transmitancia térmica del marco del hueco o lucernario [W/ ]. la absorvidad del marco obtenida de una tabla del HE1 en función de su color. A continuación se muestra un ejemplo de una de las ventanas y una puerta acristalada de la vivienda: V1 Atot=2,3362 A1=0,478 A2=1,12 FM=0,46195 Uh=2,791855 F=0,44012 Fig 23. Ventana 1 [DAP] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR PE-2 Atot=2,4192 A1=0,2706 A2=1,3439 FM=0,49842 Uh=2,7517 F=0,4156 Fig 24. Puerta acristalada PE-2 [DAP] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 43 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 44 -Cálculo de los puentes térmicos. Una de las principales causas de las infiltraciones en las viviendas son los puentes térmicos. Por ello, a la hora de climatizar una vivienda hay que tenerlos muy en cuenta. Las cajas de persianas es uno de los focos de filtraciones más importantes. A continuación se muestra el área de las cajas de persianas que se encuentran en la vivienda: Norte->Apers=0,395 (0,71+0,75)=0,5767 Sur->Apers=0,5925 Este->Apers=0,632 Oeste->Apers=0,553 Para el cálculo de la U, las cajas de persianas se tratan como cámaras de aire medianamente ventiladas. La R será la mitad que la encontrada en la tabla E.2 del HE1. Por tanto: R=0,18/2=0,09 U=11,11 W/ UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 45 Fig 25. Caja de persianas [DAP] Debido a que se ha llevado a cabo la opción simplificada para el cálculo de las cargas térmicas, en la memoria del proyecto se adjunta la justificación del cumplimiento que se establecen en la sección HE1 del CTE mediante las fichas justificativas del cálculo de los parámetros característicos medios y los formularios de conformidad para la zona habitable de baja carga interna en el caso que nos compete. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Tabla 8. Ficha justificativa de la opción simplificada UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 46 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 47 Cómo puede verse, y según la tabla 2.2 del apartado 2.1 del Documento Básico HE ya mencionada con anterioridad, los valores límite de los muros norte, sur, este y oeste es de 0,66 W/ y que al no ser superado por los calculados en esta vivienda, cumplen con la norma. Lo mismo ocurre con el resto de componentes: Suelo obteniendo un valor de 0,41 W/ ( Cubierta obteniendo un valor de 0,379 W/ Lucernarios obteniendo un valor de 0,274 W/ UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS =0,49 W/ ( ). =0,38 W/ (0,28 W/ ). ). 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 48 Tabla 9. Ficha justificativa de la opción simplificada Como en la anterior ficha justificativa, en esta segunda ocurre lo mismo. Ninguno de los valores calculados superan los valores límites de la tabla 2.2 del apartado 2.1 del Documento Básico HE (tabla 4 del presente proyecto). UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 49 RESUMEN RESULTADO-CUMPLIMIENTO 1) COMPROBACIÓN DE U DE COMPONENTES: Cerramientos y particiones interiores de la envolvente térmica Proyecto Máxima Muros de fachada 0,51243 0,86 Primer metro del perímetro de suelos apoyados 0,66 0,86 Muros en contacto con el terreno 0,466 0,86 Suelos 0,42 0,64 0,39682 0,49 Vidrios de huecos y lucernario 3,30 3,50 Marco de huecos y lucernarios 2,20 3,50 Cubiertas Tabla 10. Comprobación de U de componentes UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 50 2) COMPROBACIÓN DE LOS VALORES CARACTERÍSTICOS MEDIOS: Cerramientos y particiones int. Categoría Parámetros característicos medios Orientación P.C.M. Proyecto Máxima Norte Umm 0,66 0,66 Sur Umm 0,66 0,66 Este Umm 0,657 0,66 Oeste Umm 0,6504 0,66 C. Terreno Utm 0,5113 0,66 Suelos - Usm 0,412 0,49 Huecos Norte Uhm 2,723 3,5 Sur Uhm 2,67556 3,5 Este Uhm 2,85 2,9 (3,3) Oeste Uhm 3,0058 3,5 - Ucm 0,37964 0,38 Lucernario Fl 0,2737 0,28 Muros Cubiertas Tabla 11. Comprobación de los valores característicos medios UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 51 2.5.2.1 Cálculo de la potencia Una vez calculadas las transmitancias térmicas, con las temperaturas de confort calculamos la potencia necesaria para climatizar la vivienda. Según la norma UNE-EN ISO 7730 remitida desde la norma ITE 02.2 los parámetros de temperatura, humedad relativa y velocidad media del aire en el interior de la vivienda a considerar son los siguientes: Temperatura interior Humedad relativa [%] Velocidad media [°C] UNE 100011-91 del aire [m/s] Mínimo 20 40 0,15 Máximo 24 60 0,20 Tabla 12. Parámetros límite en el interior de la vivienda Las temperaturas interiores de confort serán las siguientes: Salón, estudio, baño y aseo temperatura de 24°C en verano y 22°C en invierno. Habitaciones, recibidor, descansillo y pasillos temperatura de 22°C en verano y 20°C en invierno. Cocina y escaleras temperatura de 20°C en verano y 18°C en invierno. Garaje temperatura de 18°C en verano y 16°C en invierno. Temperatura del suelo de 10°C durante todo el año. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 52 Para los cálculos de las cargas se tomarán las siguientes temperaturas: Verano [°C] Invierno [°C] Zonas habitables 23 22 Garaje 18 16 Suelo 10 10 Tabla 13. Temperaturas usadas para el cálculo Primeramente señalar que debemos de tener en cuenta los coeficientes por orientación e intermitencia, siendo los siguientes para el caso tratado: Orientación Norte: 15% Orientación Sur: 5% Orientación Este: 10% Orientación Oeste: 0% Intermitencia: 15% 2.5.2.1.1 Cálculo de las pérdidas por transmisión Ec. 2-6 Siendo: Pérdidas por transmisión [W] Área del cerramiento [ ] Coeficiente del cerramiento [W/ UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ] 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 53 Temperatura interior [°C] Temperatura exterior [°C] Incremento por orientación 2.5.2.1.2 Cálculo de las pérdidas por infiltración Ec. 2-7 Siendo: Pérdidas por infiltración [W] Temperatura interior [°C] Temperatura exterior [°C] V Volumen del local [ ] N Número de renovaciones por hora 2.5.2.1.3 Pérdida total de carga Ec. 2-8 Siendo: Coeficiente por situación Coeficiente por intermitencia UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR Coeficiente por altura Coeficiente por esquina 2.6 Resumen de las necesidades térmicas Fig 26. Potencia necesaria [W] debido a la transmisión de las paredes UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 54 2.CONDICIONES DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR 55 Verano Invierno 3641 W 6039 W Tabla 14. Potencia necesaria [W] en verano e invierno La potencia de infiltración es de Pi=2059 W Como la potencia necesaria en invierno es mayor que la del verano, se dimensionará la bomba de calor necesaria a partir de los requerimientos de la vivienda durante la etapa de invierno. Por tanto, sumando las perdidas de transmisión a través de las paredes y las de infiltración, y aplicándoles sus correspondientes coeficientes señalados con anterioridad, obtenemos una potencia total de 9.312 W, que incrementándola en un 5% para tener la holgura necesaria a la hora de seleccionar la bomba de calor, se obtiene que se necesitará una bomba de 9,77 kW para climatizar geotérmicamente este edificio. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3 Acondicionamiento Geotérmico 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 57 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO. 3.1 Introducción Una vez obtenidas las necesidades de calefacción y refrigeración que tiene la edificación en cuestión, en este tercer capítulo se estudiará cual será la manera óptima de alcanzar las condiciones de confort dentro de la vivienda. Las decisiones a tomar son: el tipo de calefacción y refrigeración, la instalación del ACS, la selección de la bomba de calor geotérmica y el intercambio de calor con el subsuelo. 3.2 Bomba de calor geotérmica Según los cálculos del apartado 2, se necesita una bomba de calor con una potencia nominal igual o superior a 9,77 kW. En los catálogos de los distintos proveedores se obtiene la información de las potencias, consumos y COP medidos en base a una serie de condiciones. Es necesario modelar el esquema de funcionamiento real de una bomba en sus condiciones nominales para así, ajustar el análisis de los consumos y rendimientos a partir de la obtención del ciclo real de funcionamiento. 3.2.1 Componentes A continuación se detalla las características fundamentales de los distintos componentes de una bomba de calor. 1. Compresor: Único elemento de la máquina que necesita para su funcionamiento consumir energía mecánica. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 58 Es el elemento mecánico más complicado y delicado de la instalación, siendo objeto de inspecciones y verificaciones sistemáticas. Permite aumentar la presión del refrigerante en estado gaseoso y normalmente sobrecalentado (procedente del evaporador) hasta una presión que favorece el paso de estado gas a líquido en el condensador, cediendo calor al entorno. 2. Condensador: Por medio de una pérdida de calor causada por la condensación del fluido se consigue que el refrigerante pase al estado de líquido saturado. Todo esto se produce manteniendo una temperatura y presión constantes. 3. Válvula de expansión: Para volver a su estado inicial y repetir el ciclo de nuevo, el refrigerante pierde presión y temperatura en la válvula de expansión. Con dicha válvula, se consigue variar el modo de funcionamiento de la bomba durante verano e invierno. 4. Evaporador: Es el elemento en el que se produce el efecto frigorífico por ebullición del fluido refrigerante procedente del sistema de expansión. Se trata de un intercambiador de calor donde el refrigerante, que después de la expansión se encuentra como vapor húmedo, absorbe calor del medio ya sea aire, agua o cualquier otra sustancia, para cambiar el estado hasta que todo él se encuentre como gas. Cuanto mayor sea la fracción líquida del vapor húmedo, mayor será el efecto frigorífico. Este aporte de calor al refrigerante se realiza a presión y temperatura constante (idealmente). 3.2.2 Ciclos de calefacción y refrigeración Durante los meses de invierno, la bomba de calor realizará el ciclo de calefacción, mientras que durante los meses de verano será el de refrigeración. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 59 Ciclo de calefacción: - El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico. (1) - En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calentar, el fluido cede al aire del recinto el calor de su condensación. (2) - El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión y temperatura. Se evapora en parte. (3) - En el intercambiador situado en el exterior, el fluido refrigerante completa su evaporación absorbiendo calor del aire exterior. Retorna al compresor (1) a través de una válvula de cuatro vías. (5) UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 60 Fig 27. Ciclos de calefacción y refrigeración Ciclo de refrigeración: - El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico (1) siguiendo su camino a través de la válvula de 4 vías. (5) - En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo su calor al medio exterior. (4) - El fluido en estado líquido y a alta presión se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión y evaporándose en parte. (3) UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 61 - En el intercambiador (2), situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido frigorífico completa su evaporación absorbiendo calor del medio interior. 3.2.3 Operación bomba de calor A continuación se mostrará la comparación entre el ciclo real y el ideal del funcionamiento de la bomba de calor. Fig 28. Funcionamiento ideal de la bomba de calor UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 62 Fig 29. Funcionamiento real de la bomba de calor Se debe tener en cuenta, que este último diagrama de la figura 29, dependerá de cada bomba de calor y de los distintos rendimientos de sus componentes. Las ecuaciones que rigen el funcionamiento ideal de la bomba de calor son las siguientes: Trabajo del compresor: Ec. 3-1 Calor entregado al foco de alta temperatura: Ec. 3-2 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 63 Comportamiento de la válvula: Ec. 3-3 Calor extraído del foco de baja temperatura: Ec. 3-4 Relación: Ec. 3-5 Siendo: Calor entregado al foco de alta temperatura en [kW], h en [KJ/Kg] y m en [Kg/s]. Calor extraído del foco de baja temperatura en [kW]. Cabe destacar que el principal parámetro en el que hay que fijarse a la hora de seleccionar la bomba de calor es el COP (coefficient of performance). Dicho parámetro nos relaciona el calor proporcionado con el trabajo empleado para ello. COP: Ec. 3-6 En el caso de la refrigeración ocurre de manera análoga, siendo el COP de refrigeración: Ec. 3-7 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 3.2.4 64 Bomba de calor geotérmica Hay varios tipos de bombas de calor (desde el punto de vista de la fuente donde se obtenga el calor y el medio a través del cual se distribuya). Están las bombas aire-agua, aguaaire, aire-aire y agua-agua. Al estar tratando con una bomba de calor geotérmica, tenemos que utilizar la superficie de la tierra como fuente y sumidero de calor por medio de conductos recorridos por agua. Es por ello que la elección debe de ir encaminada hacia una bomba aguaaire o agua-agua. Fig 30. Tipos de bombas de calor Cabe destacar que en la mayoría de las ocasiones, el fluido que transporta la energía a la vivienda es agua. Si bien, en ocasiones se la denomina bomba tierra-agua o tierra-aire debido a que se usa otro fluido, siendo generalmente más de un 70% agua. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 3.2.5 65 Selección bomba de calor Después de una búsqueda en catálogos de distintos fabricantes de bombas de calor (Euroklimat, IDM_ENERTRES, Ciatesa, Thermia, Avenir Energie, Danfoss, Daikin), se llegó a la conclusión de que la mejor opción era la bomba TERRA 10 S/W-HGL-P de IDM_ENERTRES, cuyas características se muestran a continuación: DATOS TÉCNICOS Potencia térmica nominal 10,5Kw Potencia eléctrica nominal Dimensiones Alto 116 cm 2,24 Kw Ancho 62 cm COP 4,69 Profundidad 76 cm Intensidad (Trabajo) 6,6 A Intensidad (Arranque) 38 A Cantidad agua calef. Min. 1600 l/h Cantidad liq. Sole min. 1900 kg/h Peso Conexiones 115 Kg Sole (Captación) R 1“ Calefacción R 1” Tabla 15. Datos técnicos de la bomba [ENERTRES] Se trata de una bomba de calor agua-agua. Además de ser la bomba que más se ajusta a las necesidades de la vivienda, tiene un COP mayor que las demás. No importa que el coste de esta bomba sea mayor que la de otros fabricantes puesto que se amortizará con un menor consumo a lo largo del tiempo. 3.3 Sistema de calefacción Mediante los sistemas de calefacción, transmitimos el calor a todos los habitáculos de la casa durante los meses del invierno. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 66 Hay distintas alternativas de sistemas de calefacción. La ventaja de la bomba de calor respecto de los demás, es que nos permite tener calefacción en invierno y aire acondicionado en verano. Además, tiene una gran eficiencia energética en calefacción, al ser capaz de aportar más energía que la consumida (depende del COP de la bomba). El hecho de reunir dos servicios en un solo aparato y una sola instalación, simplifica las instalaciones limitando la inversión necesaria. En cuanto a aspectos de seguridad, con la bomba de calor no hay peligro de incendio o explosión, ni de intoxicación ya que no hay salidas de humos. 3.3.1 Elección distribución de calor Disponemos de tres alternativas para distribuir el calor dentro de la vivienda. Una vez analizadas, elegiremos la que resulte más conveniente en cuanto a economía y confort. Las opciones son los radiadores convencionales, el suelo radiante y la distribución por aire. Este análisis estará centrado en las dos primeras opciones, puesto que la tercera queda descartada desde un primer momento por cuestiones de confort (se consigue un reparto menos uniforme de calor, además de tener que calentar el aire a introducir en la vivienda). La ecuación a tener en cuenta para la determinación de los radiadores convencionales es: Ec. 3-8 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 67 Siendo: T Temperatura del agua de entrada al radiador (80° C) t Temperatura del agua de salida del radiador (70° C) Temperatura ambiente (23° C) Introduciendo esos valores de temperaturas, obtenemos un =52° C. Los radiadores convencionales son aparatos por cuyo interior circula un fluido caliente que transmite calor. Una de las principales ventajas de este método es la fácil instalación de los mismos en el caso de que la vivienda ya estuviera construida (no es el caso de este proyecto). Una gran desventaja es que la demanda de energía para conseguir una temperatura de unos 80°C aproximadamente en el radiador es muy elevada. El presupuesto de una instalación de este tipo ascendería a unos 4.300 € de los radiadores, más la instalación (unos 11.540 €), más el coste de una bomba que tuviera potencia suficiente para calentar agua hasta 80°C que es en torno a 15.000 €, siendo el total de unos 30.840 €. Radiadores convencionales Presupuesto Radiadores 4.300 € Instalación 11.540 € Bomba de Calor Geotérmica 15.000 € Total 30.840 € Tabla 16. Aproximación de presupuesto para radiadores convencionales UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 68 El suelo radiante es un sistema que a través de tuberías colocadas en el suelo de la vivienda distribuye el calor. En dichas tuberías circula un fluido a una temperatura mayor que la que se quiere alcanzar en la estancia, aportando así un calor para alcanzar la temperatura de confort. Una de sus principales características es que tiene una inercia de funcionamiento muy elevada. Si bien se tarda un tiempo en conseguir la temperatura deseada, tiene la gran ventaja de que una vez alcanzada, permite mantener durante más tiempo dichas temperaturas limitando el aporte de calor. Al estar tratando en el presente proyecto una vivienda de nueva construcción, este sistema es muy recomendable. No sería así si la vivienda ya estuviera construida, suponiendo un incremento de presupuesto muy elevado. Fig 31. Instalación suelo radiante Si bien este tipo de instalación es válida para todo tipo de suelos, destacar que en cuanto al tipo de acabado del suelo, es más conveniente suelos de cerámica ya que transmiten mejor el calor. Con suelos más aislantes, la inercia del sistema aumenta. A continuación se muestran unos datos orientativos de dimensionamientos de caudales y conductos aportados por la empresa distribuidora de suelo radiante ESAK. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO Caudal: 1 por cada 100 69 de superficie a calefactar. Tubo: 120 m de tubo por cada 12 . Coste de tubo 1,15 €/m. Suelo Radiante Presupuesto Suelo Radiante + Instalación 4.500 € Bomba de Calor Geotérmica 15.000 € Total 19.500 € Tabla 17. Aproximación de presupuesto para suelo radiante Recalcar que tanto estos datos como los puntualizados para radiadores convencionales son en todo momento aproximaciones para hacerse una idea del presupuesto, si bien, una vez tomada la decisión más conveniente se realizará un estudio económico real a la vivienda que se está tratando. Según los datos facilitados por ESAK, necesitaremos unos 750 m de tubo que nos supondrán unos 865 € sin incluir la mano de obra, bombas de impulsión y demás accesorios. Teniendo en cuenta que la vivienda es de nueva construcción, que el suelo radiante calienta de manera más uniforme y que el coste es mayor instalando radiadores, se opta por la opción de suelo radiante. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 3.3.2 70 Instalación de la calefacción y ACS El control básico de la regulación para el circuito de calefacción que incorpora la bomba de calor geotérmica Enertres, se realiza en función de una sonda de temperatura externa y un termostato ambiente adecuando sobre una válvula de mezcla de 3 vías. La producción de ACS se controla, de igual forma, mediante la regulación de la bomba de calor geotérmica y se realiza a través del sistema patentado HGL. Este sistema consiste en la elevación de la temperatura del agua para su posterior acumulación en un recuperador de calor situado entre el compresor y el condensador de la bomba de calor geotérmica. Gracias al mismo, se garantiza la producción de ACS sin necesidad alguna de apoyos térmicos extras como puedan ser resistencias eléctricas, captadores solares,… Además, este control básico va a combinarse con un sistema de suelo radiante; en este caso es necesario añadir: un termostato por estancia, cabezales electrotérmicos para la apertura y cierre de los circuitos de suelo radiante, un módulo relé actuador por cada colector de suelo radiante y una válvula de presión diferencial para realizar la recirculación cuando todos los cabezales de un determinado colector se encuentren cerrados. Por tanto, es importante señalar que no se necesita ninguna regulación en la parte del sistema de suelo radiante ya que se realizará su control desde la regulación de la bomba de calor geotérmica. A continuación se muestra el esquema de la instalación del sistema geotérmico: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 71 Fig32. Esquema de la instalación [ENERTRES] Siendo: 1- Entrada/Salida de calor del edificio 2- Válvulas de inversión de ciclo en función de la época del año 3- Salida del ACS 4- Entrada de agua (caliente/fría) al sistema de intercambio en el subsuelo 5- Salida de agua (caliente/fría) al sistema de intercambio en el subsuelo 6- Bomba de calor Analizando el catálogo proporcionado por Enertres, y atendiendo a las necesidades de la vivienda (calculadas en apartados anteriores), la bomba de calor seleccionada es la TERRA 10 S/W-HGL-P en conexión monofásica. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 72 Como ya se ha comentado anteriormente, este tipo de bombas se caracteriza por extraer la energía calorífica del terreno a baja temperatura y elevarla a un grado superior mediante un proceso de compresión y de transmisión de energía térmica; por tanto, se genera calefacción. Aparte de la generación de energía térmica también es capaz de generar ACS a 60°C gracias al sistema patentado HGL. A continuación, se muestra la bomba con sus partes: Fig 33. Bomba de calor geotérmica [ENERTRES] Siendo: 1. Intercambiador de calor de gas sobrecalentado. 2. Válvula de regulación. 3. Bomba de calor. 4. Compresor. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 73 Como ya se ha comentado con anterioridad, los datos técnicos de la TERRA 10 S/W-HGL-P son los siguientes: DATOS TÉCNICOS Potencia térmica nominal 10,5 kW Potencia eléctrica nominal Dimensiones Alto 116 cm 2,24 kW Ancho 62 cm COP 4,69 Profundidad 76 cm Intensidad (Trabajo) 6,6 A Intensidad (Arranque) 38 A Cantidad agua calef. Min. 1600 l/h Cantidad liq. Sole min. 1900 kg/h Peso Conexiones 115 Kg Sole (Captación) R 1“ Calefacción R 1” Tabla 18. Datos técnicos de la bomba [ENERTRES] Siendo la temperatura de impulsión igual a 35°C y la temperatura de entrada de 5°C. La bomba se encuentra ajustada por el regulador navigator. Las ventajas de dicho regulador son las siguientes: Menú de control sencillo e intuitivo, traducido completamente al español. Control de hasta 7 zonas independientes por vivienda. Sistema de control para suelo radiante mediante sensor de humedad y punto de rocío que evita problemas de condensación. Posibilidad de control a través de internet, teléfono móvil o sistema vía bus. Registro de datos mediante una tarjeta SD y sistema de contaje de energía (COP). Posibilidad de trabajo con dos bombas de calor en cascada. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 74 Tecnología patentada HGL®TECHNIK. Las principales ventajas de esta tecnología son las siguientes: Alta temperatura del acumulador con el compresor trabajando a baja presión. Menor consumo de energía eléctrica (no es necesario instalar una resistencia eléctrica en el acumulador para producir ACS). Mayor vida útil del compresor (trabaja a un régimen de revoluciones bajo produciendo ACS y calefacción al mismo tiempo). Gracias a una óptima estratificación en el acumulador de inercia y al sistema de producción de ACS instantánea, se evitan problemas como legionela, calcificaciones, etc. Fig 34. Tecnología patentada HGL®TECHNIK [ENERTRES] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 75 El acumulador Hygienik 825/25 está diseñado para la producción de ACS de forma instantánea con la producción de agua de calefacción. Es adaptable a cualquier fuente generadora de calor. Fig 35. Acumulador Hygienik 825/25 [ENERTRES] Descripción: Depósito de acumulación en acero ST 37.2 con todas las conexiones hidráulicas necesarias. Brida y contrabrida para la instalación de un intercambiador de calor solar. Revestimiento aislante de espesor 100 mm y módulo de producción instantáneo para la obtención de ACS. El módulo de producción de ACS instantánea esta compuesto por: un intercambiador de placas en acero inoxidable, bomba de circulación primaria con válvula de retención, 2 válvulas de clapeta, flujostato, 2 conexiones para limpieza y la instalación eléctrica está predispuesta. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 76 Fig 36. Módulo de producción de ACS instantánea [ENERTRES] DATOS TÉCNICOS Volumen 825 Litros Diámetro interior Ø790 mm Dimensiones Ø1000 1930 mm Diagonal 1910 mm Producción de ACS 25 l/min Peso 116 kg Tabla 19. Datos técnicos ACS [ENERTRES] 3.3.3 Instalación del suelo radiante Los datos de la instalación son los siguientes: Tabla 20. Condiciones estudio ENERTRES [ENERTRES] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 77 A continuación se muestran seis estudios sobre la instalación del suelo radiante (ENERTRES): Opción 1: ENER-ROLL + PEX-a Opción 2: ENERTOP + PEX-a Opción 3: ENER-ROLL + PERT-AL-PERT Opción 4: ENERPLUS + PEX-a Opción 5: ENERPLUS + PERT-AL-PERT Opción 6: ENERTOP + PERT-AL-PERT Destacar que en todas las opciones hay que diferenciar la superficie que hay en los baños y la superficie en el resto de los habitáculos a calefactar. En la zona de los baños, el paso es de 7,5 cm en los tubos mientras que en el resto de habitaciones es de 15 cm. Opción 1: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO Opción 2: Opción 3: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 78 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO Opción 4: Opción 5: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 79 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 80 Opción 6: Tabla 21. Distintas opciones de la instalación del suelo radiante [ENERTRES] Además, para el control de la temperatura ambiente por cable debemos añadirle un termostato con visualizador y un módulo relé vía cable de ocho canales. Para el control vía radio se complementa con un cronotermostato vía radio y un módulo relé vía radio de seis canales (con antena receptora). UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 81 A continuación se muestran los precios de esos aparatos: Tabla 22. Presupuesto de los aparatos que controlan la temperatura [ENERTRES] Analizando las anteriores opciones, elegimos la opción número cuatro por resultar la más económica de todas ellas, siendo el coste total de 4.968 €. 3.4 Refrigeración Gracias a los fan-coils, pasa aire a la habitación que se desea climatizar a través de agua. Así se obtiene un intercambio de temperaturas provocando que el aire vuelva a unos 10° C al evaporador. Las cargas de refrigeración que tenemos que contrarrestar mediante los fan-coils se encuentran situadas en el salón de la planta baja y las tres habitaciones de la primera planta. Para contrarrestarlas se ha optado por la instalación de unos fan-coils de la marca Mitsubishi Electric, siendo los modelos MSZFD35VAE1 (salón) y MSZFD25VASE1 (habitaciones) los elegidos. En el anexo C se encuentran las características de cada uno de ellos. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 82 Fig 37.Fan-coil modelo MSZFD25VASE1 [ECI] 3.5 Colectores Los colectores son unos conductores encargados de transportar el fluido que intercambia el calor con el subsuelo. Por norma general, los colectores son de polietileno y el fluido que transportan está compuesto por agua (70%) y anticongelante (30%). El intercambio de calor entre el fluido y el suelo es mediante conducción. La conducción viene modelada por la ley de Fourier: ”=-k.dT/dr Ec. 3-9 Siendo: ” Flujo de calor por unidad de área [W/ ]. Es la velocidad de transferencia de calor en la dirección del radio por el área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia. k Conductividad térmica [W/m.K]. Es una característica del material del tubo. Dt/Dr Gradiente de temperatura a través de la pared en dirección radial [K/m]. Para determinar la longitud del tubo, es necesario tener en cuenta la temperatura a la que se encuentra la tierra, la potencia a disipar y el coeficiente de intercambio de calor del tubo. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 83 Según el estudio realizado por ENERTRES, para las condiciones de la vivienda, se necesita el set de captación horizontal FKS 5, teniendo las siguientes características: Tubo sonda de PE Ø 25 2,3 mm en bobinas de 100 m. Unidad de conexión con colector con válvula de clapeta para cada circuito en la impulsión y el retorno. Válvula de seguridad. Manómetro. 2 Termómetros. 5 Caudalímetros. Anticongelante 55 l. Conexión tubería-colector Ø=40 mm. Vaso de expansión. Bomba de circuito sole recomendada. Fig 38. Set de captación horizontal [ENERTRES] UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 84 Tipo de captación Horizontal Conexión Número de circuitos 5 Impulsión/Retorno Superficie necesaria 400 Tipo de conexión R 1” A.G. (Calefacción) Electrosoldadura o Longitud total de termofusión tubo 500 m Tabla 23. Datos del set de captación horizontal NOTA 1: El circuito debe ser rellenado con mezcla agua+anticongelante (-15°C=30% anticongelante). NOTA 2: El cálculo del kit de captación FKS se ha realizado según la norma VDI 4640. Las tuberías plásticas de dimensiones Ø 25 2,3 mm se tienden a la profundidad de 1-1,5 m con una longitud de 100 m cada una. ENERTRES, además de recomendar seguir la directriz VDI 4640, destaca que: La instalación debería ser llevada a cabo varios meses antes del periodo de calefacción. Resulta necesario tener en cuenta los tiempos de preparación para programar trabajos. El agua de lluvia no debe ser desviada mediante drenaje para poder regenerar el terreno. Se debe recubrir las tuberías con arena para evitar daños. Cuando se realiza el recubrimiento se debe señalizar con banda 0,5 m por encima de las tuberías de captación. En el caso de captación horizontal (caso que nos ocupa), la superficie no debe ser recubierta, por ejemplo mediante una capa de asfalto. Se debe evitar la plantación de árboles de raíces profundas. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 3.ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO 85 Todos los tramos de los circuitos de captación que no sean subterráneos deben aislarse para evitar la condensación de agua y formación de escarcha. La bomba del circuito Sole y el vaso de expansión deben situarse en la impulsión entre la captación y la bomba de calor (lado “caliente”). El vaso de expansión de la captación debe conectarse aguas arriba de los circuitos Sole. Únicamente se puede utilizar anticongelante aprobado por IDM/Enertres. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4 Estudio Económico-Ecológico 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 87 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO. En este último capítulo se estudiará la viabilidad económica de este proyecto. 4.1 Introducción Los objetivos de este apartado son los siguientes: 1. Calcular todos los costes incluyendo tanto la bomba de calor como las perforaciones necesarias para el intercambio con el subsuelo. 2. Indicar cuales son las subvenciones concedidas a este tipo de proyectos así como los requisitos que debe de cumplir para la obtención de las mismas. 3. Finalmente realizar un estudio comparativo entre calefacción por caldera de gas natural, gasoil, resistencias eléctricas y energía geotérmica. Además se calculará el plazo de recuperación de la inversión comparándolo con los otros sistemas mencionados. 4.2 Presupuesto En el presupuesto se tendrá en cuenta todos los costes que conllevará la instalación de un sistema de climatización a través de energía geotérmica. Los seis gastos principales en el proyecto son: 1. Bomba de calor 2. Sistema de intercambio de calor con el subsuelo 3. Sistema de calefacción 4. Medios para refrigeración 5. Puesta en funcionamiento 6. Perforaciones UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 4.2.1 88 Bomba de calor COMPONENTES BÁSICOS PARA LA INSTALACIÓN Código Uds. PVP Total 1 9.415,0 € 9.415 € Acumulador Hygienik 825/25 1 2.887,0 € 2.887 € 191 155 Sonda ambiente para NAVIGATOR 1 86,9 € 87 € 191 275 Sensor de humedad ambiente 1 266,0 € 266 € 1954453 Artículo Bomba de calor geotérmica TERRA 10 S/W-HGL-P (Conexión monofásica) 171 621 1 PVP TOTAL DEL KIT BÁSICO PARA EL SISTEMA GEOTÉRMICO (SIN I.V.A.) (1) 12.655 € Tabla 24. Presupuesto de los componentes básicos para la instalación [ENERTRES] COMPONENTES OPCIONALES Código Artículo Uds. PVP Total 160 085 Resistencia de seguridad de 2kW 230 V 1 280,3 € 280 € 171 251 Lanza de intercambio térmico para la 1 144,0 € 144 € 1 644,0 € 644 € 1 750,0 € 750 € recirculación de ACS 17 10 02 00 Grupo de impulsión GM25V a Tª variable (Wilo-RD 25/6-3) 191 167 Módem GSM, plug in. Incluye 5 metros de cable 191 843 Contador térmico para la impulsión de HGL 1 125,0 € 125 € 191 843 Contador térmico para calefacción 1 125,0 € 125 € Vaso de expansión de 24 litros para los 1 42,8 € 43 € 1 229,0 € 229 € 17 16 00 02 circuitos de calefacción 191 271 Sensor de punto de rocío Tabla 25. Presupuesto de los componentes OPCIONALES [ENERTRES] Teniendo la bomba un coste total de 14.995 €. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 4.2.2 89 Sistema de intercambio de calor con el subsuelo COMPONENTES BÁSICOS PARA LA CAPTACIÓN HORIZONTAL Código Artículo Uds. PVP Total 18 1226C Set de captación horizontal FKS 5 para TERRA 10 1 3.027,0 € 3.027 € 540 653 Separador de aire 1’’ 1 90,3 € 90 € 540 652 Separador de lodos 1’’ 1 90,3 € 90 € PVP TOTAL DE LOS COMPONENTES BÁSICOS PARA LA CAPTACIÓN HORIZONTAL 3.208 € Tabla 26. Presupuesto de los componentes básicos para la captación horizontal [ENERTRES] En el set de captación se incluye: Tubo sonda de PE Ø 25 2,3 mm de bobinas de 100m; 1 Unidad de conexión con colector con válvula de clapeta para cada circuito en la impulsión y el retorno; 1 Válvula de seguridad; Manómetro; 2 Termómetros; 1 Vaso de expansión; 1 bomba de circuito sole recomendada. 4.2.3 Sistema de calefacción Según la opción elegida en el apartado 3 del presente proyecto, el presupuesto del sistema de calefacción es el siguiente: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO Tabla 27. Presupuesto de los componentes del sistema de calefacción [ENERTRES] Tabla 28. Presupuesto de los aparatos que controlan la temperatura [ENERTRES] Siendo el coste total de la instalación de calefacción de 4.968 €. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 90 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 4.2.4 91 Sistema de refrigeración Según las cargas de refrigeración obtenidas en los cálculos, y teniendo en cuenta que serán necesarios un fan-coil por cada 25 , necesitaremos un total de 4 fan-coils estando situados en el salón de la planta baja (2,6 kW) y uno en cada una de las tres habitaciones de la planta primera (750 W/habitación). Las unidades de fan-coils para las habitaciones (Marca: Mitsubishi Electric/Modelo: MSZFD25VASE1) tienen un precio de 1.179€, mientras que la unidad del salón (Marca: Mitsubishi Electric/Modelo: MSZFD35VAE1) cuesta 1.424€; hacen un total de 3 1.179+1.424=4.961€ 4.2.5 Puesta en funcionamiento PUESTA EN MARCHA DE LA INSTALACIÓN Código Artículo 00 00 00 12 Puesta en marcha Bomba de Calor Uds. PVP Total 1 455,0 € 455 € Geotérmica TERRA HGL PVP TOTAL DE LA PUESTA EN MARCHA DE LA INSTALACIÓN Tabla 29. Presupuesto de la puesta en marcha de la instalación UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 455 € 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 4.2.6 92 Perforaciones Exc. Vac. A Máquina T. Compactos Excavación a cielo abierto, en terrenos compactos, por medios mecánicos, con extracción de tierras fuera de la excavación, en vaciados, sin cargas ni transporte a vertedero y con p.p. de medios auxiliares. Vaciado y bataches cada 3m. 530,71 a 2,25 €/ hace un total de 1.194,10 €. Exc. Zanja A Máquina T. Compacto Excavación en zanjas y pozos, en terrenos compactos, por medios mecánicos, con extracción de tierras a los bordes, sin carga ni transporte al vertedero y con p.p. de medios auxiliares por bataches cada 3m. 43,55 a 11,41 €/ hace un total de 496,91 €. Exc. Zanja Saneam. T. Duro Mec. Excavación en zanjas de saneamiento, en terrenos de consistencia dura, por medios mecánicos, con extracción de tierras a los bordes, y con posterior relleno y apisonado de las tierras procedentes de la excavación y con p.p. de medios auxiliares. 10,35 a 12,00 €/ hace un total de 124,20 €. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 93 Rell/Apis.Cielo Ab. Mec. S/Aporte Relleno extendido y apisonado con tierras propias, por medios mecánicos, en tongadas, para configuraciones de jardín de parcela, y con p.p. de medios auxiliares. 157,16 a 2,40 €/ hace un total de 377,18 €. Transp. Verted. <10km. Carga Mec. Transporte de tierras al vertedero, a una distancia menor de 10km., considerando ida y vuelta, con camión basculante cargado a máquina, canon de vertedero, y con p.p. de medios auxiliares, considerando también la carga. 584,26 a 4,49 €/ hace un total de 2.623,33 €. A continuación se muestra la suma total del movimiento de las tierras: Exc. Vac. A Máquina T. Compactos 1.194,10 € Exc. Zanja A Máquina T. Compacto 496,91 € Exc. Zanja Saneam. T. Duro Mec. 124,20 € Rell/Apis.Cielo Ab. Mec. S/Aporte 377,18 € Transp. Verted. <10km. Carga Mec. 2623,33 € TOTAL 4.815,72 € Tabla 30. Presupuesto de las perforaciones UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 94 El COP de la bomba ENERTRES TERRA 10 S/W-HGL-P es de 4,69. Esto supone que la inversión inicial se amortizará muy rápidamente a lo largo de la vida útil de la máquina debido a la mayor eficiencia energética tal y cómo se puede observar en estos estudios económicos adjuntos. Fig 39. Imagen virtual de la vivienda UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 95 El coste total de la instalación sin aplicar la subvención que ofrece la CAM, la cual será tratada en el siguiente punto, se encuentra resumida en la siguiente tabla: PVP TOTAL DEL KIT BÁSICO PARA EL SISTEMA 12.655 € GEOTÉRMICO COMPONENTES OPCIONALES <2.340 € PVP TOTAL DE LOS COMPONENTES BÁSICOS 3.208 € PARA LA CAPTACIÓN HORIZONTAL SUELO RADIANTE 2.433 COMPONENTES OPCIONALES SUELO <668 € RADIANTE CONTROL DE LA TEMPERATURA VÍA CABLE 604 € CONTROL DE LA TEMPERATURA VÍA RADIO 1.263 € FAN COILS 4.961 € PUESTA EN MARCHA DE LA INSTALACIÓN 455 € PERFORACIONES 4.815 € TOTAL 33.402 € Tabla 31. Presupuesto total sin la aplicación de las subvenciones A este presupuesto, habría que añadirle finalmente el coste de la mano de obra. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 96 4.3 Subvenciones Como ya se ha comentado con anterioridad, esta edificación está situada en la Comunidad Autónoma de Madrid. Las subvenciones dependen de cada comunidad autónoma, recogiéndose éstas en el B.O.C.M num. 154 del Lunes 30 de Junio de 2008 de acuerdo con la ORDEN 2389/2008 del 5 de Junio, de la Consejería de Economía y consumo por la cual se regula la concesión de ayudas para la promoción de las energías renovables. Los beneficios son: Corporaciones locales, así como sus agrupaciones o mancomunidades. Otras entidades públicas o con participación pública. Instituciones sin ánimo de lucro. Comunidades de propietarios o agrupaciones de las mismas. Sociedades cooperativas. Empresas, empresarios autónomos y otras personas jurídicas no incluidas en los apartados anteriores, salvo para instalaciones de producción de energía eléctrica en régimen especial. Personas físicas, salvo para instalaciones de producción de energía eléctrica en régimen especial. Actuaciones subvencionables: Aprovechamiento de recursos geotérmicos de acuíferos del subsuelo. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 97 Aquellas instalaciones que habiendo sido subvencionadas en la convocatoria anterior no se ejecutaron finalmente, no se consideran subvencionables. No se considerará subvencionable el I.V.A. satisfecho por la adquisición de bienes y servicios facturados, gastos financieros, gastos derivados de la adquisición de terrenos, equipos o materiales reutilizados así como los gastos que no estén claramente definidos o no resulten imputables directamente a la actuación subvencionada. Cuantía de las subvenciones: Si la población donde se realiza el proyecto tiene menos de 10.000 habitantes la cuantía de la subvención será del 50% de la inversión subvencionable. Para los demás beneficiarios: o Geotérmica: 30% de la inversión subvencionable. El importe máximo de la subvención será de 300.000€ por beneficiario con carácter general, y 200.000€ si se trata de una persona física. La documentación técnica a presentar para proyectos inferiores a 200.000€ es: Breve descripción técnica justificativa del proyecto, incluyendo, en su caso, esquema de la instalación. Presupuesto desglosado. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 98 En cuanto a la documentación general a presentar por personas físicas: DNI 4.4 Estudio comparativo 4.4.1 Estudio de la viabilidad económica A continuación se analizará y comparará con otros sistemas la viabilidad de la geotermia. Los sistemas con los que será comparada serán: Caldera de biomasa Caldera de gas natural Radiadores eléctricos Caldera de propano Caldera de gasóleo C NOTA 1: En el anexo D se pueden ver los datos de referencia empleados en los estudios. NOTA 2: En lo referente a la refrigeración, como los sistemas citados sólo se emplean para calefacción, se incorpora el coste de una instalación basada en splits colocados en cada habitáculo a refrigerar. Durante el primer año, entre el sistema de captación geotérmica y otros sistemas convencionales, la comparativa de costes (en €) de operación ha sido el siguiente: UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 99 COMPARATIVA DE COSTES ANUALES 2500 2000 1500 1000 500 0 Fig 40. Comparativa de costes anuales (en €) A continuación, se muestra una gráfica que indica el ahorro después de 15 años de funcionamiento de la Bomba de Calor Geotérmica. Lógicamente, este ahorro depende del sistema convencional con el que comparemos la Bomba de Calor Geotérmica. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 35000 100 30000 RESPECTO A CALDERA DE GASÓLEO C (sin subvención) 25000 RESPECTO A CALDERA DE GASÓLEO (con subvención) RESPECTO A CALDERA DE PROPANO (sin subvención) 20000 15000 RESPECTO A CALDERA DE PROPANO (con subvención) 10000 RESPECTO A CALDERA DE GAS NATURAL (sin subvención) 5000 0 AHORRO TOTAL ACUMULADO EN EUROS (15 AÑOS) RESPECTO A CALDERA DE GAS NATURAL (con subvención) Fig 41. Ahorro total acumulado (€) en 15 años 4.4.2 Análisis del periodo de retorno de la inversión El siguiente estudio analiza el periodo de retorno estimado de la inversión de la instalación geotérmica frente a otros sistemas con fuentes de calor convencionales. Considerando las inversiones iniciales y unos determinados índices de incremento de precio de la electricidad y el combustible correspondiente, la inversión inicial realizada con el sistema de captación geotérmica, se recuperará a lo largo del año correspondiente en función de las variables consideradas. La estimación del periodo de retorno de la inversión inicial para la implantación del sistema geotérmico variará en función del tipo de combustible con el que se compare, de la cuantía de las posibles subvenciones, del incremento anual en el precio de los combustibles y de la electricidad considerada. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 101 Además del evidente ahorro económico anual que supone este tipo de instalaciones, no se deben olvidar otra serie de ventajas como son la ausencia de olores, la ausencia de ruidos, la no necesidad de tener que disponer de un tanque de almacenamiento (depósito) de combustible, que no necesita de mantenimiento alguno, que no son necesarios conductos de evacuación de humo, que no se producen ni humos ni hollines y que, por tanto, no son necesarias las limpiezas anuales de estos componentes. A continuación se puede observar como la inversión inicial de la bomba de calor geotérmica se va amortizando a lo largo de los años. Se parte de un coste que resulta de restar el coste inicial de inversión de la bomba de calor geotérmica (con y sin subvención) y el del sistema convencional. A partir de este coste inicial cada año se va obteniendo un ahorro económico teniendo en cuenta los costes anuales de operación de la gráfica anterior. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 102 Fig 42. Amortización de la bomba de calor geotérmica en comparación con otros sistemas Como puede observarse en la gráfica, las amortizaciones de los distintos sistemas se producen en los siguientes años: FRENTE A CALDERA DE GASÓLEO C (sin subvención) 8 FRENTE A CALDERA DE GASÓLEO C (con subvención) 5 FRENTE A CALDERA DE PROPANO (sin subvención) 10 FRENTE A CALDERA DE PROPANO (con subvención) 6 FRENTE A CALDERA DE GAS NATURAL (sin subvención) 12 FRENTE A CALDERA DE GAS NATURAL (con subvención) 8 Tabla 32. Año en el que se amortiza la instalación geotérmica en función del sistema con el que se compara 4.4.3 Estudio de emisiones de A continuación se muestra la comparativa de las emisiones de con la implantación de un sistema de captación geotérmica frente a otros sistemas convencionales. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 4. ESTUDIO ECONÓMICO-ECOLÓGICO 103 Fig 43.Comparativa de las emisiones emitidas a la atmósfera [ENERTRES] Cómo puede apreciarse en la gráfica, la bomba de calor geotérmica es la que menos emisiones tiene al año, siendo por tanto la más ecológica con una diferencia muy amplia en comparación con el resto. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 5 Bibliografía y Documentación 5.BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN 105 5. BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN [HE1] Código técnico de la edificación. [DAP] Planos y estudios de dap-arquitectos. [AEMET] Agencia estatal de meteorología. [REYM] Bombas de calor y energías renovables en edificios. Autores: Francisco Javier Rey Martínez, Eloy Velasco Gómez. [RITE] Reglamento de instalaciones térmicas de edificios. [DCI] Estudios geológicos de DireControl Ingeniería, S.L. [HERR08] Apuntes de tecnologías energéticas. Madrid 2008. Autores: Luis Enrique Herranz, José Ignacio Linares, Beatriz Yolanda Moratilla. [LINA05] Fundamentos de Termodinámica Técnica. Autor: José Ignacio Linares. [MILL96] Transferencia de calor. McGraw-Hill, 1996. Autor: A. F. Mills. [WHIT96] Mecánica de fluidos. McGraw-Hill, 1996. Autor: Frank M. White. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 5.BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN [ICAI09] 106 El ingeniero del ICAI y el desarrollo sostenible. Autor: Asociación nacional de ingenieros del ICAI, Universidad Pontificia de Comillas, 2009. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 5.BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN 107 Páginas Web http://www.ciatesa.es Ciatesa refrigeración http://www.idae.es Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía. http://www.euroklimat.it Euroklimat Company. http://www.egec.org Consejo Europeo de la Energía Geotérmica. http://www.girodgeotermia.com Empresa especializada en energía geotérmica de baja entalpía. http://www.termoterra.es Empresa especializada en energía geotérmica de baja entalpía. http://www.appa.es Asociación de Productos de Energías Renovables. http://www.forumgeotermia.com Web foro Barcelona2010. http://www.enertres.com Empresa especializada en energía geotérmica de baja entalpía. http://www.eve.es Ente Vasco de la Energía. http://www.soyrenovable.es Noticias Energías Renovables. http://geothermal.marin.org Geothermal Office Education. http://geothermal.org Geothermal Resources Council. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 5.BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN 108 http://www.igme.es Instituto Geológico y Minero de España. http://www.atecyr.org Asociación Española de Climatización y de Refrigeración. http://elcorteingles.es El Corte Inglés. http://mitsubishielectric.es Mitsubishi Electric. http://iga.igg.cnr.it International Geothermal Association. http://cotenor.es Empresa de Ingeniería y Climatización. http://www.esak.es Empresa distribuidora de suelo radiante. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 5.BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN Software: Microsoft Excel Microsoft Word Autocad SketchUp Ener-Design LIDER UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 109 Anexos A Propiedades Higrométricas de los Materiales A.PROPIEDADES HIGROMÉTRICAS DE LOS MATERIALES UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 112 A.PROPIEDADES HIGROMÉTRICAS DE LOS MATERIALES UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 113 A.PROPIEDADES HIGROMÉTRICAS DE LOS MATERIALES UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 114 A.PROPIEDADES HIGROMÉTRICAS DE LOS MATERIALES UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 115 A.PROPIEDADES HIGROMÉTRICAS DE LOS MATERIALES UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 116 A.PROPIEDADES HIGROMÉTRICAS DE LOS MATERIALES Tabla 33. Propiedades higrométricas de los materiales UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 117 B Resistencias Térmicas Superficiales B.RESISTENCIAS TÉRMICAS SUPERFICIALES 119 Tabla 34. Resistencias térmicas superficiales de particiones interiores en Tabla 35. Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el aire exterior en UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS C Catálogos C.CATÁLOGOS UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 121 C.CATÁLOGOS UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 122 C.CATÁLOGOS UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 123 D Datos de Referencia Empleados en los Estudios D.DATOS DE REFERENCIA EMPLEADOS EN LOS ESTUDIOS UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 125 E B.O.C.M. E. B.O.C.M. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 127 E. B.O.C.M. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 128 E. B.O.C.M. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 129 E. B.O.C.M. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 130 E. B.O.C.M. UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS 131
