Aplicaciones geotérmicas en la edificación

(1)

Aplicaciones geotérmicas en la edificación

Eduardo Domínguez Gadea

Ingeniero Industrial

Responsable Técnico en Geotics Innova S.L.

10

(2)

Aplicaciones geotérmicas en la edificación CAATVOCC - 2013

Especialistas en GEOTERMIA

de muy baja temperatura:



Ingeniería y asesoramiento



Instalaciones llaves en mano



Colectores geotérmicos



Pruebas de respuesta térmica (TRT)

Què fem?

360 kWt

2.480 metros

240 kWt

3.200 metros

660 kWt

6.370 metros

Llotja Lleida Alexandra - Sabadell Vall de Núria

PRESENTACIÓN DE LA EMPRESA

(3)

o

Calefacción

o

Refrigeración

o

Agua caliente sanitaria (ACS)

.. Y también AYUDAMOS a la



no utilización combustibles fósiles



reducción de consumo de energía

primaria



reducción de emisiones de CO2



incorporación energías renovables

 DIRECTIVA RES

 DIRECTIVA EPB – NZEB 2020 

reducción costes operativos

Ejemplo Edificio Sostenible - Alexandra

OBJETIVO -> ¿PORQUÉ GEOTÉRMIA?

Sup. Construida 18,976m2

SOBRE COSTE GEOTERMIA SOBRE TOTAL DEL EDIFICIO -> 1%

premio programa

Greenbuilding

Nacional 2010 en la categoría proyecto más innovador

(4)

1. Fundamentos geotermia de muy baja temperatura

2.Tipos de colector geotérmico y dimensionado

3. Casos reales

4.Conclusiones

(5)

Es la energía almacenada en forma de calor por debajo de la

superficie de la Tierra.

1.

Alta temperatura: más de 150ºC

2.

Media temperatura: entre 90 y 150ºC

3.

Baja temperatura: entre 30 y 90ºC

4.

Muy baja temperatura: menos de 30ºC

1

2

(6)

Aplicaciones geotérmicas en la edificación CAATVOCC - 2013 Atmosfera Absorbit Pels núvols 4% Absorbit per la superficie 46% Reflexat per La superfície 6% Reflexat pels núvols 17% Dispersat per l’aire 8% Absorbit pel vapor

d’aigua, la pols, O₃

19%

12ºC



El subsòl absorbeix la meitat de la

energia que incideix del sol



Recurs que es troba sota qualsevol

terreny en qualsevol lloc habitat

del planeta

Bomba

de calor

Atmósfera

Absorbido por las nubes

4% Absorbido por la superficie 46% Reflejado por la superficie 6%

Reflejado por las nubes

17%

Dispersado por el aire

8%

Absorbido por el vapor de agua, el polvo, O₃ 19% 12ºC

El subsuelo

absorbe la

mitad de la

energía que

incide del sol

Bomba

de calor

FUNCIONAMENTIO ENERGÍA GEOTÉRMICA DE MUY

BAJA ENTALPÍA

(7)



Necessitats tèrmiques de l’edifici

40 kWt

10 kWe

30 kWt

COP=4

40 kWt

ERR=4

10 kWe

50kWt

Fl

ux

de ca

lo

r

12ºC 20ºC 12ºC 26ºC ] [ ] [ ] [W P W P W

Pevaporador  eléctrica  condensador

] [ ] [ W P W P COP eléctrica condesador  ] [ ] [ W P W P EER eléctrica evaporador 

45ºC

10ºC

(8)

Aplicaciones geotérmicas en la edificación CAATVOCC - 2013 Bomba de calor _Circuito calefacción Col·lector geotèrmic 40ºC Temp. Edifici 20ºC

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: UN CIRCUITO CERRADO

(9)

Funcionament circuit tancat

2ºC

30kW

-1ºC

10 m3/h

Tªm= 0,5ºC

Tª

terreny

= 12ºC

30 kW

600m

50 W/m

(10)

Comparativa energia diferentes sistemas de calefacción

100.000 kWh

102.000 kWh = 6.600 €

109.000 kWh

20Tn CO2

100.000 kWh

25.000 kWhe = 3. 000 €

70.000 kWh

12Tn CO2

(11)

100.000 kWh

110.000 kWh = 11.000 l. =

9.000€

117.000 kWh

22Tn CO2

100.000 kWh

100.000 kWhe = 15.000 €

278.000 kWh

47Tn CO2

(12)

•

Recurso en

cualquier sitio

habitado del planeta

•

Es

necesaria

la utilización de una

bomba de calor geotérmica

•

La inversión inicial

se recupera en menos de

10 años

Otros datos:

•

1945 – primera instalación

con bomba de calor geotérmica en una vivienda

•

Actualmente

1 millón de instalaciones

con capacidad instalada de

15 MW

_t •

Renovable –

RES DIRECTIVE

2009/28/CE mínimo

SPF> 2,875

•

A tener en cuenta para cumplir la

EPB DIRECTIVE

2010/31/UE relativa a la

eficiencia energética de los edificios

ENERGÍA GEOTÉRMICA DE MUY BAJA ENTALPÍA:

DATOS

(13)

(14)

Vertical



Dificultad realitzación



Maquinaria específica



Más caro



Ocupa poco terreno



Alta eficiencia



(40 – 100 W/m prof.)

Horizontal



Facilidad realización



Menos caro



Pequeños edificios



Superficie elevada



Influencia estacional



(10-40 W/m

2

)

Agua Subterránea



Aquífero + Inyección



Menos caro



Normantiva y Regulaciones



Legalización y cánon de

utilización



Más mantenimiento

(15)

Viviendas plurifamiliares Potencia Instalación 230 kW Población Vilamitjana (Lérida) Cliente Privado Tipo de edificio Viviendas plurifamiliares Año construcción 2008 – 2010 Superficie 2.600m2 Configuración bombas 52 bombas individuales Configuración

distribución Conductos de aire Intercambio

geotérmico Horizontal

(16)

Aplicaciones geotérmicas en la edificación

_{REALIZACION PERFORACION VERTICAL}

CAATVOCC - 2013

1-Colocación del revestimiento

2-Perforación

3-Instalación sonda

(17)

http://www.youtube.com/watch?v=kopnuhj7S7s



Sondas de PE100 PN16



Profundidad del pozo de

100 a 150m



Diámetro del pozo de 127

a 150mm



Rellono del pozo con

morter



Coste aproximado pozo

vertical acabado 35€/m

Pie de sonda

(18)

Pruebas de presión:

-

Después de instalar la sonda geotérmica

-

Antes de la cimentación

-

4 bares de presión

Cimentación:

-

Optima transmisión térmica entre terreno y sonda

-

Mezcla de bentonita y cemento

-

Inyectado con bomba de la parte inferior a la

superior

REALIZACION PERFORACION VERTICAL

pruebas de presión y cimentación

(19)

POTENCIA ESPECÍFICA DE EXTRACION

(W/m)



Potencia punta de la instalación (kW)



Demanda energética anual del edificio (kWh)



Rendimiento esperado del equipo



Características del terreno



conductividad térmica del terreno



la resistencia de la sonda



la temperatura del terreno

(20)

EDIFICIO 1 – COLEGIO

Potencia extracción PUNTA CALEFACCIÓN: 140 kW

CONSIDERACIONES CON LOS RATIOS DE EXTRACCION

Longitud de la sonda necesaria colegio = 2.800 m

Ratio extracción: 50 W/m

EDIFICIO 2 - HOTEL

Potencia extracción PUNTA CALEFACCIÓN: 140 kW

Longitud de la sonda necesaria hotel = 4.000 m

Ratio extracción: 35 W/m

A TENER EN CUENTA:

Demanda energética del edificio (kWh)

NO SÓLO POTENCIA PICO

(21)

Sostrat

Potencia específica

de extracció (W/m)

_{Per 1800 h} _{Per 2400 h} Valors generales: Sostrat pobre (<1,5 W/m/K) _25W/m _{20 W/m} Normal, base roca amb substrats i sediments saturats amb

aigua

( 1,5 > λ<3,0 W/m/K) _{60 W/m} _{50 W/m} Base de roca > 3,0 W/m/K _{84 W/m} _{70 W/m}

Tipus de pedres:

Grava, arena humida (Gravel, sand, dry) _{<25 W/m} _{<20 W/m} Grava, sorra, aigua _{65 – 80 W/m} _{55 – 65 W/m} Argila, humida _{35 – 50 W/m} _{30 – 40 W/m} Pedra calcàrea _{55 – 70 W/m} _{45 – 60 W/m} Arenaria _{65 – 80 W/m} _{55 – 65 W/m} Granet _{65 – 85 W/m} _{55 – 70 W/m} Basalt _{40 – 65 W/m} _{35 – 55 W/m} Gneiss _{70 – 85 W/m} _{60 – 70 W/m}

(22)

DIMENSIONAMIENTO SEGÚN TABLAS VDI4640

(23)

Ejemplo real, hotel 2.600m2, suelo radiante, calor+ACS:

Instalación de

240 kW

Longitud colector necesaria según Test Respuesta Térmica y

estudio demanda energética edificio =

3.600 m -> 49 W/m

potencia extracción. (W)

176.842

176.842 temp terreno (ºC)

8

8 W/m

40

60 col. Invierno (m)

4.421

2.947 coste perforacion 175.000 €

120.000 €

(24)



conductividad térmica del terreno



la resistencia de la sonda



la temperatura del terreno

La única forma de poder determinar todos estos parámetros es mediante un ensayo de respuesta térmica, ERT o TRT.

Este tipo de ensayos son muy interesantes en instalaciones grandes para poder calcular de forma exacta el número de perforaciones necesarias para satisfacer las demandas térmicas de la instalación.

ENSAYO DE RESPUESTA TÉRMICA DEL TERRENO T.R.T.

(25)

Demanda tèrmica de l'edifici (Kwh) -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 Gen er Feb rer Mar ç Abril Mai g Juny _Juliol _Agos t Setem bre Octu bre Novem bre Des embr e Kwh Calefacció Refrigeració

Calefacción: 43950 Kwh/any

Refrigeración: 45850 Kwh/any

NECESIDADES TÉRMICAS DEL EDIFICIO

Potencia bomba de calor: 60 kW



Altura (m) : 450



T mediana (ºC) : 13



T. Mínima (ºC) : -8

(26)

Variació temperatura mitja col.lector

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 0 10 20 30 40 50 60 anys ºC

Variació temperatura mitja del col.lector

10 12 14 16 18 20 22 24 0 2 4 6 8 10 12 14 Períodes ºC



Potencia B.C.G.= 60Kw



Calefacció= 43950Kwh



Refrigeració= 45850Kwh



Potencia mitja anual col·lector =+3,2Kw



Desequilibri anual tèrmic= +28171Kw

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 0 10 20 30 40 ºC Mes

Variació temperatura mensual col·lector

Ground Loop Design

Earth Energy Designer

RESULTADOS COMPORTAMIENTO COLECTOR

(27)

• Coste instalación entre 1.000 y 1.800€/kW

• Retorno inversión entorno 10 años

• El proyecto será más viable en los siguientes casos:

o

Edificio con necesidades de calor, refrigeración y ACS

o

Edificios de alta ocupación

o

Edificios alta calificación energética

o

Posibilidades de recuperación de calor

o

Ajustar la relación W/m2 con sistemas inerciales

o

Posibilidad de instalaciones híbridas para tratar puntas de demanda

o

Aprovechamiento tarifa eléctrica reducida o media/alta tensión

(28)

Edificio Alexandra, Viviendas Municipales de Sabadell

CASO DE ÉXITO: EDIFICIO ALEXANDRA –

168 Viviendas dotacionales públicas,

biblioteca pública y centro servicios

Sup. Construida 18,976m2 Potencia instalación 300+360 Kw Año construcción 2008 – 2011 Superficie 5500 m2 + 8.500 m2 Configuración bombas 5 de 60kW + 6 de 60kW Configuración distribución Suelo Radiante + Fan-coils Intercambiador geotérmico 2.915+ 3.455 mts

(29)

Producción 2 tubs. Frío/Calor y ACS

360 kWt

(30)



90 perforaciones



Entre 60-90m profundidad



Total 6.400m de intercambio



Demanda energética 1.461.238 kWh/año



Conductividad térmica del suelo



λ = 1,83-1,88 W/mK

(31)

• SOBRECOSTE ECONÒMICO vs SISTEMAS CONVENCIONALES

• APROVECHAMOS INSTALACION GEOTÉRMICA PARA CLIMATIZAR

BIBLIOTECA Y CENTRO DE SERVICIOS

• SOBRE TOTAL DEL EDIFICIO -> 1%

• 625 €/m2 construido (nuevas promociones VIMUSA)

• DEMANDA POTENCIAS

• MÁXIMA EN PUNTA (400 kW)

• MÁXIMA GESTIÓN SIMULTANIEDADES y INERCIAS (360 kW)

• PREVISTA CRUCERO (73% POR DEBAJO DE 300 kW)

• DIMENSIONADO INTERCAMBIO GEOTÉRMICO

• DEMANDA ENERGÉTICA DEL EDIFICIO

• RESPUESTA DEL SISTEMA EN LAS PUNTAS

• ENSAYO DE RESPUESTA TÉRMICA

(32)

Sala de máquines

(33)

(34)

BIBLIOTECA

• CONVENCIONALES SABADELL

• 160 kWh/m2 año energía eléctrica final global

• ALEXANDRA

• 83 kWh/m2 año energía eléctrica final global

• 48% de ahorro energía final

• 66% de coste media kWh/h

0,089€/kWh media tensión

VIVIENDAS

• 63% de ahorro de energía final

• 39% de ahorro de costes

COMPARATIVA DE CONSUMOS ALEXANDRA

MARZO 2011-2012

(35)

CASO DE ÉXITO: HOTEL DE VALL DE NÚRIA



Metros de perforación propuestos: 3.200 m



Número perforaciones: 36



Profundidad pozos: 90 m



Diámetro pozos: 130 mm



Energía a captar del colector: 240 kWh/año

(36)

Esquema de principi0 VDN

calefacción + ACS

240 kWt

2,600m2

3.200 m

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

Ejecución y llenado de zanjas

(43)

El colector de unión de pozos



Conexión en sentido ascendente desde el pozo



Válvulas de aislamiento y ajuste de caudal en cada pozo



Válvulas de llenado de anticongelante.



Cálculo de pérdida de carga



Dimensionado de tuberías



Vaso de expansión



Aislamiento térmico



Propilenglicol - 33% en volum (-15ºC)

(44)

SALA DE MÁQUINAS VALL DE NÚRIA

(45)

(46)

Aplicaciones geotérmicas en la edificación CAATVOCC - 2013 0 10 20 30 40 50 60 9: 50: 0 0 18 :5 0: … 3: 50: 0 0 12 :5 0: … 21 :5 0: … 6: 50: 0 0 15 :5 0: … 0: 50: 0 0 9: 50: 0 0 18 :5 0: … 3: 50: 0 0 12 :5 0: … 21 :5 0: … 6: 50: 0 0 15 :5 0: … 0: 50: 0 0 9: 50: 0 0 18 :5 0: … 3: 50: 0 0 12 :5 0: … 21 :5 0: … 10 :50 :… 19 :50 :… 4: 50: 0 0 13 :5 0: … 22 :5 0: … 7: 50: 0 0 16 :5 0: … 1: 50: 0 0 15 :5 0: … 0: 50: 0 0 9: 50: 0 0 18 :5 0: … 3: 50: 0 0 Dep. ACS Dep. Calefacción Temp Colector Master

Dades funcionament de 26/01/2012 al 10/02/2012.

TEMP. MEDIA -8ºC / TEMP. MÍN -20ºC

(47)

DATOS DE FUNCIONAMIENTO VALL DE NÚRIA: 1 AÑO

Indicador

Und. Valor

Ratios

Horas funcionamiento

h

1.151

13%

Temp. calefacción

ºC

35-45

Temp. ACS

ºC

60 Temp. pozos retorno

ºC

2-7

Potencia entregada BCG kW

245-280

Potencia extracción BCG kW

175-205

60 W/m

Energía producida

kWh

300.655

112

kWh/m2

Energía consumida

kWhe 82.300

31 kWh/m2

Coste económico

€

9.868

3,7 €/m2

Ahorro económico

€

23.537

70%

Ahorro en. primaria kWh 147.216

41%

Ahorro CO2

Kg

74.490

78%

Inversión extra

€

225.000

85 €/m2

Ventajas conseguidas:

Se demuestra la fiabilidad y

seguridad del sistema

Se evita el transporte de

gasoil con el cremallera

No se utilizan combustibles

fósiles en zona de alto

interés natural

Gran confort

Amortización inferior a 10

años incluso teniendo en

cuenta la baja utilización

actual del hotel

Se está trabajando ya en la

interconexión con edificios

existentes

(48)

Potencia instalación 60 kW

Población Tremp

Cliente Ajuntament

Tipo edificio Oficines

Año construcción 2011 Superficie 600 m2 Configuración bombas 1 de 60 kW Configuración distribución Fan-coils Intercambiador geotérmico Vertical – 1.400 metros

Edificio del Institut Geològic Catalunya

CASO DE ÉXITO: NUEVA SEDE IGC

Premio NAN de Arquitectura y Construcción 2012 - mejor integración de la energía

(49)

Sala de máquinas del Institut Geològic Catalunya

(50)

CASO DE ÉXITO: NUEVA SEDE IGC

(51)

Potencia instalación 180 kW

Año construcción 2010

Superficie 3.300 m2

Configuración bombas 3 bombes de 60 kW Configuración

distribución Fan-coils Intercambiador

geotérmico 3.300 metres

(52)

2 bombas de calor convencionales,1 con producción a 4 tubos de 109

kW y otra con producción a 2 tubos de 314 kW, y una caldera de gasoil

de aproximadament 300 kW térmicos.

(53)

Esquema de principi

producció a 4 tubs + (bomba calor conv. + caldera)

180 kWt

3,300 m

Inercia

(54)

Aplicaciones geotérmicas en la edificación CAATVOCC - 2013 Potencia instalación 80 kW Población L’Hospitalet del Llobregat Cliente Ajuntament

Tipo edificio Museo

Año construcción 2009

Superficie 800 m2

Configuración bombas 2 bombes de 40 kW

Configuración distribución Fan-coils Intercambiador geotérmico Perforaciones Verticales – 1.000 metros Museo de historia

Realización perforación vertical

CASO DE ÉXITO: MUSEO HISTORIA L’HOSPITALET

(HARMONIA)

(55)

SALA TÉCNICA 80 kW/20 m²

(56)

COLEGIO MUNICIPAL

TRILLO

CENTRO DEPORTIVO

MUNICIPAL JOAN

MIRÓ-BARCELONA

Geotermia 40kWt caldera gasoil existente + radiadores

Geotermia 240kWt - 32 perforaciones de 120m + caldera gas. Calentamiento piscina + clima

(57)

1. La geotermia se utiliza para

calefacción/refrigeración y ACS

2. Es una

energía renovable

– directiva

RES DIRECTIVE

2009/28/CE

3. A tener en cuenta para cumplir la

EPB DIRECTIVE

2010/31/UE

4. Es una energía

viable técnica y económicamente

.

5. Reduce energía primaria y emisiones CO2

6. Ahorros del 50- 70%

frente a sistemas convencionales. Se puede

recuperar la inversión en poco tiempo

7. Una instalación geotérmica

no necesita apoyo

de sistemas convencionales

8. No existe impacto paisajístico

9. No existe riesgo de incendios ni explosiones

10. Bajo mantenimiento

(58)