SAT Etxeberri
Instalación de climatización.
Contenido
1.DATOS GENERALES ... 2
2. LA GEOTERMIA SOLAR ... 3
3. RESUMEN DE LA INSTALACIÓN ... 12
4. CÁLCULOS ENERGÉTICOS ... 13
5. AMORTIZACIÓN ... 16
6. PLANOS ... 18
Pol. Industrial Mutilva Baja, C/H 24. 31192 Mutilva Baja. Navarra. www.gealianova.com
1.DATOS GENERALES
El siguiente documento tiene por finalidad explicar las características de la instalación geotérmica instalada en la granja de SAT Etxeberri.
La instalación está situada en Etxeberri (Navarra), y tiene por objeto climatizar un edificio mediante un sistema geotérmico.
El presente documento pretende explicar las características de este sistema en general y de la instalación indicada en particular, mediante una explicación de esta, indicando los cálculos
2. LA GEOTERMIA SOLAR
Una parte importante de la energía proveniente del Sol que llega a la Tierra es absorbida por la corteza terrestre en forma de calor.
La gran masa de la Tierra hace que la temperatura del suelo, a partir de unos diez metros de profundidad, permanezca prácticamente constante durante todo el año; variando esta temperatura según las características del terreno y la radiación solar propia de la región.
En España, que es un país con una gran radiación solar, la temperatura del suelo a profundidades de más de diez metros es relativamente alta (alrededor de 15 grados). Así pues, el subsuelo se convierte en un inmenso acumulador solar, una fuente de energía totalmente renovable e inagotable. Mediante un sistema de captación adecuado (conductos de agua y una bomba de calor) se puede transferir calor a una fuente que servirá para abastecer la calefacción doméstica y para obtener agua caliente sanitaria de los edificios. Además, invirtiendo el sistema este puede ser utilizado para refrigeración en verano.
Por lo tanto el sistema proporciona una solución integral a la necesidad de climatización y agua caliente sanitaria.
Las aplicaciones son múltiples: viviendas, oficinas, granjas, secaderos industriales, cavas, piscinas, hoteles, hospitales y aplicaciones industriales en donde la aportación de temperatura constante sea un requisito necesario.
Las ventajas del sistema de climatización mediante la geotermia solar son:
Estéticas.- No son necesarios intercambiadores con el exterior del edificio. Sonoras.-No producen contaminación sonora en el exterior.
Sanitarias.- Desaparece el riesgo de generar legionelosis.
Contaminación cero.- El edificio deja de contaminar. Ausencia de combustión.
Arquitectónicas.- Mayor espacio No son necesarios conductos de evacuación de gases o chimeneas.
Confort.- El funcionamiento continuo del sistema proporciona un grado de confort óptimo.
Económicas.- Se presenta como el sistema de climatización más eficiente con ahorros del 50 al 75%.
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GEOTERMIA SOLAR: ENERGIA RENOVABLE
La energía geotérmica solar es una energía renovable porque se genera a través de los flujos de energía natural de la tierra, prescindiendo de la fase de combustión y posterior emanación de CO2.
Su orientación no es la de generar energía sino la de consumir de una forma eficiente y con unas prestaciones medioambientales extraordinarias. Por ello el mercado potencial está abierto a la edificación tanto residencial como terciaria (comercial y servicios); así como industrias en donde sea necesaria la obtención de una temperatura constante por debajo de 50ºC.
GEOTERMIA SOLAR: EFICIENCIA ENERGÉTICA
Elegida como la solución energética desde el momento inicial de la construcción el valor aportado es visto de manera clara por el cliente, al tiempo que el coste de inversión puede llegar a ser comparable a la necesaria para energías de origen fósil, mucho menos eficientes desde el punto de vista energético, siendo la energía geotérmica solar una aplicación excelente desde el punto de vista de eficiencia energética.
Así pues, las ventajas de la geotermia solar se pueden sintetizar en:
-Excelente prestaciones en materia de impacto medioambiental
-Nula emisión de CO2 -Imagen pública -Coste instalación -Ahorro energético
-Confort y calidad en el servicio. -Fiabilidad del sistema
-Retorno de la inversión -Valor añadido al edificio
Si realizamos una comparativa del balance energético integral de las necesidades de una vivienda (4 personas con climatización), descartando del estudio las soluciones integrales que producen contaminación directas como el gas, el propano o el gas-oil, una vivienda “verde” que contaminara cero tendría el siguiente balance energético a partir de cada una de las fuentes de energía:
La energía geotérmica se muestra como la energía más eficiente tanto en el aspecto medioambiental como en el aspecto económico.
PRODUCTO Y TECNOLOGÍA.
Descripción del producto: sistema de climatización por geotermia solar.
La climatización de una vivienda/ edificio por geotermia solar es la aplicación por excelencia, pudiéndose realizar de forma individual (ya que no precisa de complejas inversiones para aplicar el sistema, a diferencia de las instalaciones de geotermia de gran y media profundidad).
Así, comparado con un sistema de calefacción por captación de energía solar mediante paneles presenta una gran ventaja ya que no precisa de grandes acumuladores para compensar las horas de falta de radiación solar.
La propia masa de la Tierra es el gran acumulador que hace que dispongamos de una fuente de energía a temperatura constante, que en el ámbito de esta aplicación se comporta como infinita e inagotable, por tanto RENOVABLE.
Este sistema de aprovechamiento de la energía solar absorbida por la superficie de la Tierra se basa en tres elementos principales:
- Circuito de intercambio con la Tierra.
- La bomba de calor geotérmica.
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El sistema consta de tres partes.
1-Circuito de intercambio con la Tierra.
A continuación expondremos las diferentes variantes del sistema de captación de energía geotérmica empleadas por Gealia Nova.Se pueden distinguir dos sistemas:
1A.Intercambio de calor con aguas superficiales: Mar, ríos, pantanos, pozos, etc.
Se basa en poner en contacto térmico, agua proveniente de una fuente superficial, con el condensador / radiador, según sean las necesidades, para la absorción o cesión de calor a dichas aguas. Este intercambio se puede realizar por dos tipos de circuito: abierto y cerrado.
1B. Intercambio con el suelo mediante circuito auxiliar.
Se dispone de un conjunto de tuberías enterradas, por las que se hace circular el agua, que a su vez intercambia el calor con el condensador / radiador. Diremos que tenemos un intercambio mediante un circuito auxiliar. Existen básicamente dos clases de circuitos de intercambio (Unidad Geotérmica de Intercambio):
1B1. Circuitos horizontales.
Este sistema se caracteriza por que la tubería de captación esta enterrada en sentido horizontal, a una profundidad de 1- 2 m. aproximadamente.
La superficie de terreno necesaria para una vivienda puede ser dos veces la superficie de terreno por cada m2 de vivienda que se quiera climatizar.
El gran inconveniente del sistema es que sobre la superficie ocupada por el circuito no se aconseja la presencia de árboles, además de no poderse asfaltar ni poner ningún tipo de pavimento. Se recomienda recubrirla de césped o algún tipo de arena.
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Ventajas.
• Coste relativamente más bajo que el sistema vertical.
Inconvenientes.
• No se recomienda en zonas donde el precio del terreno es alto.
• Peor rendimiento que el sistema vertical, siendo necesario la abundancia de agua en el terreno para mejorar el intercambio. Esta solución es utilizada en Europa en áreas de clima muy lluvioso.
Aparte de poder disponer de un circuito independiente, este sistema admite que el circuito esté integrado a la bomba (expansión directa), con lo cual se ahorran costes de instalación. En su contra está el ser una solución poco versátil para otras aplicaciones.
1B2. Sistemas verticales, pozos o sondas geotérmicas.
En este sistema la tubería de captación está enterrada en sentido vertical, en forma de U, en uno o varios pozos normalmente de unos 100 metros de profundidad.
Para una vivienda se suelen hacer uno o varios pozos dependiendo de las necesidades y de las características del terreno, separados entre sí unos 6 metros como mínimo.
Existen otras soluciones, debiendo hacerse un estudio del terreno para determinar la solución más económica en cada caso.
Ventajas
• Se requiere poca superficie de terreno, pudiéndose perforar incluso en sótanos. • Mejor rendimiento que el sistema horizontal.
Inconvenientes
• Coste más elevado que el sistema horizontal si es este posible.
• En algunos terrenos la realización de las perforaciones puede ser complicada, dada la poca uniformidad de tipos de terreno en España.
2. La bomba de calor geotérmica.
Las bombas de calor geotérmicas son utilizadas en países fríos como sistema de calefacción desde hace más de treinta años. En Suecia, por ejemplo, este tipo de calefacción tiene un grado de penetración en el mercado del 80% gracias a sus grandes prestaciones, tanto medioambientales como económicas.
En nuestro país se han preparado las bombas geotérmicas no sólo para suministrar calor, sino que sean efectivas tanto enfriando como calentando en un proceso reversible automático.
La bomba de calor es una máquina que basándose en el Ciclo de Carnot, realizado por un gas, absorbe calor de una fuente para entregarlo a otra que está a una temperatura superior.
Las bombas de calor son desde hace años muy populares, utilizadas en todos los frigoríficos, en la mayor parte de los aires acondicionados y últimamente en los climatizadores de tipo doméstico.
Físicamente, el condensador y el radiador pueden ser compatibles, por lo que se puede cambiar el sentido del transvase de calor de una fuente a otra, simplemente cambiando el sentido de la circulación del gas en el circuito.
¿Qué aportan las unidades de intercambio geotérmico solar a una bomba de calor?
El rendimiento (Energía suministrada / Energía absorbida) de las bombas de calor dependen de la temperatura de la fuente que suministra el calor al condensador.
Los sistemas de climatización convencionales absorben el calor de la atmósfera, que en invierno puede llegar a temperaturas por debajo de los –2º C. A estas temperaturas el condensador no puede captar prácticamente nada de calor y el rendimiento de la bomba es muy bajo.
En verano, cuando hace más calor, la bomba tiene que ceder el calor a la atmósfera que puede estar a 40º C, con lo que el rendimiento no es todo lo bueno que cabe esperar.
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En el sistema de captación geotérmico solar, al disponerse de una fuente a temperatura constante, el rendimiento siempre es óptimo sin que importen las condiciones de temperatura atmosférica.
En nuestro país, las primeras instalaciones se realizaron entre el año 2003 y 2004, y su aceptación en el mercado se ha ido consolidando.
3.Circuitos de intercambio térmico con la vivienda.
Como complemento a la alta eficiencia energética que ofrece una bomba de calor geotérmica es recomendable utilizar sistemas de intercambio térmico con el espacio a climatizar que mantengan la línea de eficiencia, al tiempo que garanticen el confort térmico del usuario. Como definición de que se entiende por “confort térmico” podemos referirnos a la norma ISO 7730, la cual lo define como “esa condición de mente en la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico”. Pero de igual modo que hablamos de confort, podemos mencionar que se entiende por disconfort.
Generalmente, el disconfort puede definirse bajo uno de los efectos siguientes:
- Sensación de enfriamiento convectivo causado por una corriente de aire.
- Enfriamiento o calentamiento de partes del cuerpo por la radiación, también conocido por
asimetría de la radiación.
- Pies fríos y cabeza caliente al mismo tiempo, causados por grandes diferencias en la
- Pies calientes y cabeza fría, causados por una temperatura del suelo incómoda, es decir, una temperatura con un gran contraste con la temperatura del cuerpo.
Vistos estos cuatro puntos, se puede observar que no existe un sistema de intercambio térmico con la vivienda que pueda satisfacer de igual manera al 100% de los usuarios, ya que cada individuo puede percibir el confort o disconfort de manera totalmente subjetiva. No obstante, en base a la experiencia existente con diferentes tipos de intercambio y su contribución a la eficiencia energética deseada, podemos establecer una lista de posibilidades, siempre basándonos en un sistema con circuito interior de agua.
Suelo radiante.
Presenta un circuito cerrado en el que el agua transmite la temperatura a la vivienda a través del suelo.
Permite trabajar a temperaturas entre 25 y 40º C, en función de la localización climática y el grado de aislamiento de la vivienda, al tiempo que puede calentar o enfriar una estancia. En este caso, no se producen fenómenos de sensación de enfriamiento convectivo, al no existir corrientes de aire.
Convectores de aire hidráulicos (fancoils).
Son más ineficientes energéticamente, ya que precisan de temperaturas de agua mayores, del orden de los 50ºC, a fin de poder generar aire a temperaturas del orden de los 35-38ºC.
Por contra, el tiempo de reacción para cambios de temperatura ambiente es sensiblemente más rápido que para los sistemas de suelo radiante.
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3. RESUMEN DE LA INSTALACIÓN
El edificio consta de dos plantas. La planta baja está destinada a oficinas y contiene una sala de exposiciones. La planta superior está destinada a vivienda.
La instalación diseñada consta de una bomba de un sistema geotérmico que actúa sobre una instalación de climatización; y de un sistema de ventilación.
La instalación geotérmica contiene una bomba de calor geotérmica reversible para calefacción y refrigeración, con una potencia térmica de 23 kW, además de proporcionar el agua caliente sanitaria.
La bomba actúa sobre un colector cerrado formado por perforaciones verticales. Las principales ventajas de la bomba instalada son:
-Se trata de un sistema reversible, sin necesidad de añadir ningún aparato para invertir el ciclo y dar frío/calor.
-No se mezcla el agua de los pozos con el circuito de climatización, evitando que el anticongelante se vaya a la parte de climatización.
-El intercambiador de a.c.s. trabaja por encima de 60ºC, cumpliendo en todo momento con las exigencias del RITE sobre temperatura de acumulación en cualquier instalación térmica. Acumulación por encima de 60ºC de modo directo.
-Se trata de una bomba de gama media-alta, con unos coeficientes de operación superiores a 4.
La climatización de la planta baja se realiza mediante fancoils, mientras que la primera planta se climatiza por un suelo radiante. Ambos sistemas son ideales para trabajar con la bomba geotérmica, al trabajar a baja temperatura, con lo que contribuyen a la eficiencia energética del sistema.
La ventilación se trata con dos recuperadores de calor entálpicos y una red de conductos para distribución del aire. Existen dos zonas diferenciadas; una correspondiente a la sala de exposiciones y la otra referente a los despachos. De este modo se optimizan los consumos.
4. CÁLCULOS ENERGÉTICOS
Después de los estudios realizados para calcular el consumo energético del edificio, teniendo en cuenta el tipo de cerramientos, orientación, ubicación, etc.; se ha determinado que este necesita una bomba de calor con una potencia de 23 kW.
Según dicho estudio, las necesidades del edificio en invierno serán de unos 10MWh, mientras que en verano el consumo calculado que se prevé será de unos 8 MWh. La demanda anual será de 18,3 MWh.
Con estos datos y dadas las características del suelo y del lugar se ha diseñado un colector cerrado.
Estimamos que la bomba de calor geotérmica tiene un COP de 4 para calefacción y un EER de 4,5 para refrigeración. Por cada kW eléctrico que hay que aportar a la vivienda, la instalación geotérmica proporciona a la instalación 4 kW de calor y 4,5 de frío.
Esta estimación viene de trabajar con dos sistemas de climatización distintos. Para suelo radiante se trabaja a una temperatura de 18ºC, mientras que los fancoils tienen una temperatura de salida de 7ºC, siendo algo menos óptimas las condiciones.
Con estos datos se obtiene que el aporte de energía que se obtiene de la tierra, de manera totalmente gratuita es el siguiente:
• Invierno: 7,5 MWh
• Verano: 6,22 MWh
Por lo tanto el ahorro anual de energía que se podrá obtener con esta instalación será de
13.72 MWh (75%).
Al no existir combustión, las emisiones de CO2 son nulas si la energía de red eléctrica proviene de energías verdes y un 75% inferiores en caso contrario.
En este caso, el ahorro en emisiones de CO2 es superior a los 6.200 kg. La cantidad de
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CARGAS TÉRMICAS
En el siguiente gráfico se muestran las cargas del edificio, que son las siguientes: Calefacción: 34.4kW
Cargas por infiltraciones: 13.4kW
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5. AMORTIZACIÓN
Realizamos un estudio aproximado del plazo de amortización de esta instalación geotérmica frente a la que pudiera tener una de gas con enfriadora a partir de los costes de instalación, energía y mantenimiento.
La inversión estaría recuperada en el año 14.
Se estima que tras 25 años el coste del sistema geotérmico es de 94.787€, mientras que para la instalación de gas es de 132.267€.
‐ € 20.000,00 € 40.000,00 € 60.000,00 € 80.000,00 € 100.000,00 € 120.000,00 € 140.000,00 € Gasoil Geotermia
Costes
sistema
climatización
en
25
años
Mantenimiento Energía Instalación
NOTA:
Estos cálculos de amortización son meramente orientativos, y en este caso están realizados sin considerar subvención.
Partimos de un consumo de 10 MWh anuales en calefacción y de 8 MWh anuales en refrigeración.
Se estima un COP de 4 para calor y de 4.5 para frío. El rendimiento del sistema de gas es de 0.8.
Se toma como precio del KWh eléctrico, 0.12€ y el de gas, de 0.07€/KWh, con un incremento anual del 3.2%.
Con una subvención del 20% de la instalación geotérmica, que es el vigente en el año 2010 para Navarra, la inversión se recupera en el año 10.
