091111 Ponencia Juan Rodriguez ENERGYLAB

Buenas prácticas para instalaciones con BCG
“Eficiencia Energética en Calefacción y Refrigeración:
Aprovechamientos Geotérmicos mediante Bomba de
Calor”
Vigo, 18 de Noviembre de 2009
Índice
1
Necesidad de Buenas Prácticas
2
Diseño
3
Instalación
Planificación
Captación geotérmica
Bomba de calor
Puesta en marcha
4
Servicio post-venta
2
1
Necesidad de Buenas Prácticas
¿Por qué Buenas Prácticas?
Por razones medioambientales:
Evitar contaminación de los recursos hídricos y/o del terreno.
Calentamiento o enfriamiento (contaminación) excesivo del terreno que
pueda llegar a afectar a la flora y fauna así como a microorganismos,
pudiendo alterar el ecosistema.
Por razones prácticas:
Mal funcionamiento de las instalaciones.
Temperaturas de retorno, del fluido caloportador que circula por el
subsuelo, inadecuadas que hagan que la bomba de calor funcione en
condiciones extremas.
Por razones económicas:
Dimensionar las instalaciones en su justa medida.
Amortizar la instalación en los períodos previstos.
Evitar sorpresas desagradables a la hora de la ejecución.
(Fuente: APPA)
3
1
Necesidad de Buenas Prácticas
Buenas Prácticas en cuanto a…
Diseño
Ejecución
Planificación
Captación geotérmica
Bomba de calor
Puesta en marcha
Servicio post-venta
(Fuente: APPA)
4
2
Diseño
Para un correcto dimensionamiento se hace necesario…
Seleccionar el tipo de captación más adecuado: horizontal cerrada,
vertical abierta, vertical cerrada, etc.
Definir el tipo de aprovechamiento energético en base a la demanda
existente: calor, calor con freecooling, calor y frío, calor y frío con
freecooling, aprovechamientos energéticos adicionales, etc.
Realizar el dimensionamiento y geometría adecuados del campo de
captación.
Seleccionar las condiciones de funcionamiento adecuadas de la
bomba de calor.
Definir los elementos terminales adecuados para la instalación.
Estimación de los ahorros previstos. Estudio de amortización.
(Fuente: APPA)
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2
Diseño
Cuestiones a considerar
En general, la concepción de un sistema geotérmico se realiza según la secuencia de etapas siguiente:
1. Se determinan las condiciones de trabajo locales, los datos climáticos y las características térmicas del
suelo.
2. Se establecen las cargas de calefacción, de refrigeración y de producción de ACS del edificio, según las
condiciones climatológicas locales.
3. Se eligen los componentes de los sistemas de calefacción, refrigeración y ventilación, así como el
sistema de distribución de aire, y se procede a su dimensionamiento según las necesidades.
4. Se establecen las necesidades energéticas mensuales y anuales de calefacción y refrigeración del
edificio.
5. Se efectúa la selección preliminar del tipo de intercambiador de calor subterráneo.
6. Se procede al diseño preliminar del intercambiador subterráneo.
7. Se determinan las características térmicas del suelo (TRT, programas de simulación, etc.).
8. Se establece la longitud que ha de tener el bucle subterráneo y se recalculan las temperaturas del agua
a la entrada y a la salida en función de las cargas del sistema y del bucle subterráneo diseñado.
9. Se revisa la concepción del sistema, llegado el caso, para equilibrar las exigencias de carga (calefacción
y refrigeración) y su rendimiento.
10. Se analiza el coste global del sistema durante su ciclo de vida y se compara con otras opciones.
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2
Diseño
Cuestiones a considerar
La evaluación de las cargas de calefacción y de
refrigeración del edificio constituye la etapa
inicial y es una de las más importantes de un
proyecto geotérmico de muy baja temperatura,
habida cuenta del coste inicial más elevado de
estos sistemas. El sobredimensionamiento de
las bombas de calor o del intercambiador
subterráneo puede reducir mucho su interés
económico.
El diseñador de la instalación debe tener el
conocimiento adecuado para poder seleccionar y
dimensionar la captación de energía adecuada
según las necesidades del proyecto, del tipo
de terreno, de la potencia demandada y de las
horas de funcionamiento al año necesarias.
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3
Instalación
Adecuada Planificación
Son instalaciones caras y la improvisación puede tener consecuencias económicas.
Evitar interferencias con otras partes de las obras que puedan retrasar los trabajos.
Realizar lo más exactamente posible lo definido en el diseño. En caso contrario, tener
criterio para la toma de decisiones en obra.
Necesidad de conocer el funcionamiento de toda la instalación => Puesta en marcha
correcta.
Espacio en obra para la maquinaria y sus maniobras: Máquina de perforación, varillaje,
compresor, herramientas, etc.
Balsa para la recogida de lodos y reciclaje de los mismos.
Ubicación de: Perforaciones, colectores, zanjas, etc.
Acopio de componentes en su justo momento: sondas, colectores, rellenos, maquinaria
de instalaciones, etc.
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3
Instalación
Captación geotérmica: Comprobaciones y Pruebas
Al hacer la recepción de las sondas geotérmicas en obra se
comprueba el marcado y la documentación técnica que la
acompaña: número de lote, fecha de fabricación, longitud, etc..
Las sondas son ensayadas a presión, con aire, en fábrica antes de
su expedición, pero es aconsejable someterlas a una prueba de
estanqueidad, con aire o con agua, antes de su montaje.
Las sondas se llenan de agua, se marcan visualmente y se
protegen contra posibles daños.
Se cierran para dejarlas estancas, a presión, y se introducen en
el sondeo llenas de agua, para que al cementar dicho sondeo,
con un material de mayor densidad, no resulten aplastadas al
aumentar la presión exterior.
Antes de introducir el relleno, se suele realizar una primera prueba
de presión sometiendo al intercambiador a 6 bar durante 30
minutos, comprobando que la presión no cae más de 0,6 bar para
que el resultado sea satisfactorio.
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3
Instalación
Captación geotérmica: Comprobaciones y Pruebas
Una vez cementado el sondeo, se realiza una prueba de presión definitiva que, en la mayoría de los
países, se ajusta a lo establecido por la norma alemana DIN V 4979 – 7, cuyo esquema operativo se
resume en lo siguiente:
1. Se mantienen los tubos en reposo, sin carga,
durante al menos 1h.
2. Se lleva la sonda a la presión de prueba (12
±1 bar) en un tiempo de 10 minutos.
3. Se mantiene en presión (al menos 10 bar)
durante 10 minutos.
4. Periodo de espera: 60 minutos. Caída de
presión máxima: 30%.
5. Se reduce la presión rápidamente en 2 bar
mediante vaciado de agua. Se mide la cantidad
evacuada y se anota el nuevo valor de la
presión.
6. Comienza la prueba principal (30 minutos). Se
mide la presión a los 10, 20 y a los 30 minutos.
La prueba de presión es satisfactoria si, al cabo
de esa tercera medición, la caída de presión
máxima es de 0,1 bar.
7. Después de un tiempo adicional de 90
minutos, la caída de presión debe ser inferior a
0,25 bar.
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3
Instalación
Captación geotérmica: Fluido caloportador
En instalaciones que utilizan agua con anticongelante como
fluido portador de calor, la misión del anticongelante es
impedir la formación de hielo en el evaporador de la bomba
de calor y proteger los materiales del circuito contra la
corrosión.
El anticongelante debe de ser:
Seguro
No tóxico
No corrosivo
Buen transmisor térmico
Coste bajo
Larga vida
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Instalación
Captación geotérmica: Equipos para la colocación
Durante la maniobra de descenso del intercambiador de calor al sondeo hay que evitar que los
tubos rocen la embocadura o las paredes del mismo, realizando la operación lentamente y con
las debidas precauciones.
Para garantizar un montaje controlado, y evitar un incremento de velocidad en el descenso de las
sondas que pueda dañarlas al contacto con las paredes del pozo, se emplean guías mecánicas
accionadas eléctricamente que incorporan un freno u otro mecanismo que garantice el control en
el montaje.
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3
Instalación
Captación geotérmica: Relleno de los sondeos
Una vez que se ha ejecutado el sondeo, se ha instalado el intercambiador geotérmico en su
emplazamiento definitivo y se ha realizado la prueba de presión de las tuberías con resultado
satisfactorio, hay que proceder a rellenar o a cementar el espacio anular que queda entre las
tuberías del intercambiador de calor y las paredes del hueco del sondeo, al objeto de:
Obtener un buen contacto térmico entre el intercambiador vertical y el terreno, que garantice una unión
física y químicamente estable, impermeable y duradera de la sonda geotérmica al terreno.
Cerrar el sondeo desde la superficie para evitar la entrada de contaminantes externos y sellar los
acuíferos que hayan podido ser atravesados durante la perforación.
Las propiedades más importantes que debe reunir un material que vaya a ser utilizado para relleno o
para cementación de sondeos geotérmicos son las siguientes:
Elevada conductividad térmica.
Baja permeabilidad.
Buena adhesión a la sonda y al terreno.
Características plásticas.
Elevada resistencia a las heladas.
No ser perjudicial para las aguas subterráneas.
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3
Instalación
Captación geotérmica: Relleno de los sondeos
La cementación definitiva del espacio anular existente entre
los tubos del intercambiador y las paredes del sondeo se
consigue inyectando una suspensión de cementobentonita, desde la parte más baja del sondeo hasta la
superficie.
La función del componente aglutinante de la suspensión,
cemento, es producir una solidificación y un endurecimiento
de la mezcla, mientras que la de los componentes arcillosos,
bentonita principalmente, es garantizar la estabilidad de la
suspensión, reducir la permeabilidad y proporcionar cierto
grado de plasticidad, al objeto de permitir la dilatación térmica
de los tubos de polietileno por cuyo interior circula el fluido
caloportador.
Además, como las suspensiones para cementación de
sondeos suelen estar en contacto con aguas freáticas, deben
reunir una doble condición:
No resultar perjudiciales para las aguas.
Ser resistentes a aguas freáticas agresivas (sulfatos).
Nunca volver a rellenar con el terreno evacuado.
Necesidad de sellado superficial para evitar contaminación
de acuíferos.
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3
Instalación
Captación geotérmica: TRT
Para conseguir un correcto funcionamiento del sistema geotérmico debe procurarse que el
intercambiador subterráneo esté sometido a las mismas temperaturas de trabajo durante el
transcurso de los años => Es la forma de prolongar su vida útil en condiciones óptimas de trabajo.
Para satisfacer las cargas de calefacción y/o de refrigeración de los edificios, antes de proceder a
dimensionar definitivamente un campo de sondas geotérmicas, es necesario conocer las
propiedades del terreno que condicionan la cantidad de calor que pueden captar o ceder:
Temperatura.
Conductividad térmica.
Capacidad térmica volumétrica.
Difusividad térmica.
Permeabilidad.
Resistencia térmica entre el fluido caloportador y la parte exterior del sondeo, con la interposición del relleno.
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3
Instalación
Captación geotérmica: TRT
La determinación de la conductividad térmica, la resistencia
térmica del sondeo y la temperatura del terreno sin alterar,
son vitales para el dimensionamiento de un intercambiador
vertical que vaya a soportar cargas de calefacción y/o de
refrigeración.
Tradicionalmente, el dimensionamiento se ha hecho a partir de
valores ya tabulados de esos parámetros y de valores
obtenidos en ensayos de laboratorio con muestras de sondeo
que, además de complejos, no tienen en cuenta las
condiciones naturales de los terrenos atravesados ni los
efectos del flujo del agua subterránea.
Sin unas buenas estimaciones de dichos valores, el sistema
geotérmico es probable que resulte desproporcionado para las
necesidades requeridas, resultando unos costes de inversión
innecesarios, si está sobredimensionado, o un ahorro menor
de energía eléctrica que el esperado si está
infradimensionado.
La única forma de tener en cuenta esos efectos es realizando
un Ensayo de Respuesta Térmica en el propio emplazamiento
de la sonda geotérmica.
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3
Instalación
Captación geotérmica
Dimensionado del captador geotérmico:
Captación vertical abierta:
• Pruebas de caudal.
• Pruebas de composición de agua.
Captación horizontal cerrada:
• Tablas y/o nomogramas hasta sus límites de aplicación (VDI – 4640).
• Programas de simulación fuera de los límites de aplicación anteriores.
Captación vertical cerrada:
• Tablas y/o nomogramas hasta sus límites de aplicación (VDI – 4640).
• TRT + Programas de simulación fuera de los límites de aplicación anteriores.
De tal manera que nunca se descienda por debajo de una temperatura mínima del fluido geotérmico en invierno que
evite la congelación del subsuelo (Temp. entrada a la captación geotérmica > -5ºC) y que no se exceda de una
temperatura máxima del fluido geotérmico en verano que evite la degradación del PE del tubo-sonda (Temp. entrada
a la captación geotérmica < 30ºC).
En captación vertical cerrada, relleno de las perforaciones con cemento bentonítico de conductividad
térmica no inferior a 1,2 W/mK.
Con captación geotérmica vertical, empleo de materiales en los tubos-sonda que ofrezcan unas
características técnicas al menos como las del PE 100 SDR11 PN16.
Con captación geotérmica vertical, empleo de una máquina desbobinadora para la introducción del
tubo-sonda en la perforación, para evitar dañar el tubo (manteniendo una velocidad de introducción
constante) y para acelerar el proceso de instalación.
Empleo de electrosoldadura para la unión de las distintas conexiones del PE.
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3
Instalación
Captación geotérmica
Empleo de purgadores de aire / separadores de aire / separadores de lodos / filtros / válvula de
seguridad / vaso de expansión / manómetros / termómetros.
Ubicación de los colectores de la captación geotérmica en una arqueta exterior a la edificación
para evitar posibles condensaciones en el interior. O en caso contrario (ubicación de los
colectores dentro de la sala técnica), que se encuentren debidamente aislados.
Aislamiento de tuberías que vayan al aire y aquellas que, transcurriendo en tramos horizontales
por zanjas, se encuentren enterradas a una profundidad inferior a 40 cm.
Aislamiento de tuberías en el interior susceptibles de producir condensación en su superficie.
Instalación de caudalímetros en el colector de ida hacia la captación geotérmica para el correcto
equilibrado hidráulico.
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3
Instalación
Captación geotérmica
Diámetros de tuberías adecuados a los caudales circulantes (¡¡OJO!! => Pérdidas de carga).
Dimensionado de la bomba de circulación de la captación geotérmica adecuado a los caudales
mínimos necesarios para el intercambio térmico en la BCG (¡¡OJO!! => Pérdidas de carga).
Con captación geotérmica vertical, en general se considerará:
Formaciones consolidadas => Rotopercusión neumática.
Formaciones no consolidadas => Rotación con circulación directa y lodos.
Empleo de volúmenes de acumulación de inercia para calefacción/refrigeración con una relación
acumulación-potencia térmica instalada adecuada (desde 15-20 l/kW).
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3
Instalación
Bomba de calor
La bomba de calor seleccionada según las necesidades térmicas
necesarias, se debe instalar en una ubicación adecuada, como
una habitación protegida, y debe ser verificada por la empresa
instaladora; manteniendo las medidas de seguridad
correspondientes.
Debe ser instalada en un suelo completamente nivelado, recto y
capaz de soportar el peso. Llevando a cabo el asentamiento de
la BCG con apoyos de goma o similar sobre un piso firme y
nivelado, para evitar la propagación de ruidos.
Empleo de uniones flexibles entre la BCG y los tramos de
ida/retorno de la captación geotérmica, del sistema de
calefacción/refrigeración y del sistema de producción de ACS,
para evitar propagación de ruidos.
Respetar los diámetros de conexión de la BCG para su unión con
los sistemas de captación geotérmica, de
calefacción/refrigeración y del sistema de producción de ACS.
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3
Instalación
Puesta en marcha
Paciencia y mucho conocimiento. Esto no es una instalación convencional:
Limpieza
Purgado
Comprobación de fugas
Relleno de anticongelante
Presurización de la instalación : Lazo geotérmico y lazo de instalación.
Comprobación de las bombas de circulación.
Comprobación conexiones eléctricas y de control.
Comprobación del sistema de regulación.
Arranque de la bomba de calor.
(Fuente: APPA)
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3
Instalación
Puesta en marcha
Comprobación de funcionamiento de calor, frío y/ó freecooling.
Funcionamiento del ACS.
Registro de los parámetros de funcionamiento.
Entrega de manual de funcionamiento y mantenimiento preventivo de la
instalación.
(Fuente: APPA)
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4
Servicio post-venta
Buenas prácticas en servicio post-venta
Importante contar con empresa especializada.
Ofrecer soporte de ajuste de equipos hasta que esté
funcionando la instalación perfectamente y dentro de
sus parámetros.
Ofrecer garantía de producto y tener repuestos en
stock.
Ofrecer contrato de mantenimiento de la instalación.
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Juan Ignacio Rodríguez Fernández-Arroyo
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Edificio Isaac Newton.
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