Introducción y aspectosgenerales de las Bombas de Calor Geotérmicas Dr. Javier F. Urchueguía Schölzel Catedrático de Física Aplicada de la Universidad Politécnica de Valencia, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Responsable del Grupo Sostenibilidad Energética en Edificios Instituto de Ingeniería Energética 1 Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 2 Panorama y ventajas de los sistemas basados en BCG Aspectos tecnológicos fundamentales Proyectos de geotermia en la UPV Modelado Propiedades térmicas del suelo Análisis económicos Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”, Prof. Javier Urchueguía, Junio 2006 Panorama general 3 ¿Qué es una bomba de calor acoplada al terreno o geotérmica (BCG)? z Bombas de calor aire-agua REFRIGERACIÓN CALEFACCION Bomba de calor aire . Javier Urchueguía. Prof.agua Calor Pelec Pelec Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.agua Extraer Calor= Frío 4 Bomba de calor aire . Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof.¿Qué es una bomba de calor acoplada al terreno? MODO refrigeración Afectación térmica del terreno El suelo se calienta. Junio 2006 . 5 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía.5m 25 20 15 10 5 50 100 150 200 250 Día del año 300 350 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Prof.¿Qué es una bomba de calor acoplada al terreno? Temperatura (Valencia) 0m 6 35 30 1. Una gran masa térmica… z z z z 7 Permite recuperar energía térmica para dar calefacción Otros elementos: Agua o medio anticongelante Sistema hidráulico Bomba de calor agua – agua o agua . Javier Urchueguía. Junio 2006 .aire Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. eficiente. de clima frío) ¿Qué factores limitan o han limitado su implantación en España? Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. pero no sólo. Junio 2006 . económicamente muy ventajosa y con interesantes ventajas añadidas Está ampliamente extendida en otros países (mayormente. Javier Urchueguía.. una bomba de calor geotérmica z z z z 8 Utiliza la habilidad natural del terreno de almacenar calor para permitir una mejora sustancial de la eficiencia energética del sistema ( 50%) Se trata además de una tecnología una opción fiable.En resumen . Junio 2006 .Algunos datos respecto a BCG z Barreras – – – z z 9 Desconocimiento del público y de las instituciones Mayor costo inicial Mayor complejidad de ingeniería (diseño. Javier Urchueguía. excavación. ejecución.…) Ausencia de proyectos en España Desde 2001: proyectos en la UPV Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. 15 kWh Fuel/Gas Curso de doctorado sobre “Técnicas EnergéticasCaldera Avanzadas”.36 kWh 200 m2 5000 kWh 13900 kWh 1 kWh 0.36 kWh Petróleo Carbón Gas 10 6950 kWh Aire/Agua – Aire/Aire 1 kWht 0.36 kWh Eléctrico 0.36 kWh 0.36 kWh 3470 kWh BCG 0.44 kWh 1.64 kWh 1. Junio 2006 . Prof.72 kWh 0. 0.08 kWh Central el.85 kWh 5900 kWht 0.Una comparativa básica 0. Javier Urchueguía. Aspectos técnicos 11 . Aplicaciones 12 Suelo radiante calefacción / refrigeración Fan coil calefacción / refrigeración Agua caliente sanitaria Climatización de piscinas Derretir nieve o hielo Enfriamiento agua para procesos industriales Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Junio 2006 . Javier Urchueguía.Sistemas relacionados con la BCG 13 -Disponibilidad (lagos/mar) -Caudal suficiente -Trabas Legislación? -Trabas Legislación? -Limite potencia -Reinyección Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. requiere estricta coordinación de obra 14 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof.Bucle horizontal 9 buena relación costeprestaciones 9 instalación más sencilla 9para nuevas construcciones 9uso del terreno mayor 9peligro interferencia constructiva. Javier Urchueguía. Junio 2006 . Configuraciones de bucle horizontal Tipologías en zanja Sistema “slinky” 15 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Prof. Junio 2006 . Prof. Junio 2006 . Javier Urchueguía.Bucle vertical 9 minimiza área afectada 9 pozos típicamente de entre 50 y 150 m con material de relleno 9menor longitud relativa de tubería 9 mayores costes de instalación 9mayor complejidad de obra(/ingeniería) 16 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof.Diseño interior 9 bombas agua-aire o agua agua + “fan coil” 9resultado óptimo con suelo radiante en calefacción 9 instalación interior convencional 17 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Integración de BCG en sistemas Torre de condensación (disipa el exceso de calor) 18 Intercambiadores (disipa y/o almacena el exceso de calor y el exceso de frío) Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Javier Urchueguía. Junio 2006 . 9Eliminación total o parcial de torres de refrigeración 9Uso flexible 9Reutilización parcial del calor residual (=mejora sustancial de la eficiencia) 19 Refrigeración natural (“free cooling”) Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Junio 2006 . Prof. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof.20 Refrigeración mecánica Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. 21 Calefacción y refrigeración (4 tubos) Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Prof. Javier Urchueguía. Prof. Javier Urchueguía. Junio 2006 .22 Calefacción mecánica Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 .23 Calefacción natural. Prof. Javier Urchueguía. directa o “free” Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. certificación.. Junio 2006 . Prof.) Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía..Aspectos críticos para un buen diseño Cálculo muy preciso de los requerimientos de carga Buen diseño hidráulico Buen diseño del intercambiador Buena ejecución de sondeos Coordinación de obra exacta Buena ingeniería de proyecto 24 (protocolización. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof.Criterios de dimensionado de una BCG Clima Medioambiente Costos instalación Dimensionado Tipología Esquema Hidráulico Instalación 25 Carga Térmica Suelo / geología Emplazamiento Bomba de calor Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Perfil estacional de carga térmica 9requerimientos pico (influye en la evolución “rápida” de las temperaturas) 9perfil de carga estacional (influye en la evolución de temperaturas del terreno a largo plazo) 26 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof.5 1.9 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 Valores de conductividad (W/mK) . Javier Urchueguía.1 1.9 1.7 0.3 1.7 1.5º COP=4.5 0.Efecto del suelo 9propiedades térmicas del suelo en el diseño (conductividad y difusividad) 9Ejemplo: diseño en Valencia de un sistema horizontal Diseño para 15 kW de refrigeración Tª de salida 32.46 Longitud de intercambiador enterrado (m) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 27 0. Prof. Junio 2006 .Aspectos económicos (TRI) Periodo de retorno en comparación con otros sistemas 28 Información tomada del artículo “Cost containment for Ground-Source heat pumps” by Steven Kavanaugh and Christopher Gilbreath Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Junio 2006 29 . Javier Urchueguía. Prof.Aspectos medioambientales Evolución de las emisiones mensuales de CO2 comparativa Tomado del artículo “CO2 payback–time assessment of a regional-scale heating and cooling system using a ground source heat–pump in a high energy–consumption area in Tokyo” publicado en Applied Energy Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. “ASPECTOS TÉCNICOS DE MODELADO Y DISEÑO DE BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS” 30 . Prof. Rafferty. etc 31 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Sanner. Claesson.INTRODUCCIÓN •Las primeras aproximaciones para el cálculo del trasporte térmico alrededor de tuberías enterradas fue realizado con la teoría de la línea infinita de Kelvin (1861). (1949) •Muchos investigadores formularon modelos analíticos y numéricos para tratar el problema de la transmisión de calor en el suelo: Kavanaugh. Eskilson. •Una versión simplificada del algoritmo de Ingersoll & Plass (1948) fue sugerida por Guernsey et al. •El uso práctico de cálculos de transporte de calor alrededor de tuberías fue iniciado por Allen (1920). Junio 2006 . Shonder y Hughes. •Primer Algoritmo de transporte térmico en el suelo: Ingersoll & Plass (1948) •Penrod. Javier Urchueguía. Hellstrom. describe en 3 ejemplos el algoritmo de Ingersoll & Plass para BCG (1954). Prof.MODELOS MATEMÁTICOS PARA BCG´s VERANO (REFRIGERACIÓN) Bomba de Calor Calor introducido en la tierra Pf Pa Q& C = Pf + Pa Intercambiador Enterrado 32 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Junio 2006 . Javier Urchueguía.MODELOS MATEMÁTICOS PARA BCG´s VERANO (REFRIGERACIÓN) INVIERNO(CALEFACCIÓN) Bomba de Calor Calor Calor extraído introducido de en la la tierra tierra Pc Pf Pa &&Ch = Pcf −+ PPaa Q Q Intercambiador Enterrado 33 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Junio 2006 .MODELOS MATEMÁTICOS PARA BCG´s MÉTODO DE ANÁLISIS EN ESTADO ESTACIONARIO Si se expresa en Tf Q& c Del balance en la bomba de calor: Q& c = Pf + Pa (1) 34 por unidad de longitud: Q& c ( 2) qc = Lc VERANO (REFRIGERACIÓN) Q& c De la ley de Fourier entre el agua y el suelo: Ts qc = (T f − Ts ) RT (3) Reemplazando (1) en (2) e igualando (2) y (3) tenemos: Lc = ( Pf + Pa ) RT T f − Ts Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Javier Urchueguía. Junio 2006 . Prof. Javier Urchueguía.MODELOS MATEMÁTICOS PARA BCG´s MÉTODO DE ANÁLISIS EN ESTADO ESTACIONARIO Si se expresa en Q& h por unidad de longitud: Q& h qh = ( 2) Lh INVIERNO (CALEFACCIÓN) Tf Q& h De la ley de Fourier entre el suelo y el agua: Ts (Ts − T f ) qh = (3) RT Reemplazando (1) en (2) e igualando (2) y (3) tenemos: Del balance en la bomba de calor: Q& h = Pc − Pa (1) 35 ( Pc − Pa ) RT Lh = Ts − T f Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. configuración) Fh → Fc = f ( Bomba. Cps . Javier Urchueguía.aire.1988): CAPc · Lc = COPc + 1 ( RP + RS ·Fc ) COPc TMAX − TH COPh − 1 ( RP + RS ·Fh ) CAPh · COPh Lh = TL − TMIN Donde: RP = Pc = CAPh → Pf = CAPc ⎛D ⎞ 1 ·LN ⎜⎜ e ⎟⎟ 2·π ·k P ⎝ Di ⎠ ⎛ π ⎜⎜ − X S · 360·α ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎛ π ⎜⎜ − X S · 360 ·α ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ TH ( X s ) = TM + AS ·e TL ( X s ) = TM − AS ·e RS = f (k s . C arg a.MODELOS MATEMÁTICOS PARA BCG´s Modelo de IGSHPA (Universidad de Oklahoma. USA) MÉTODO DE ANÁLISIS EN ESTADO ESTACIONARIO IGSHPA se basa en el modelo de Bose(1984. Junio 2006 . Temp. N º horas ) 36 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BCG´s Parámetros importantes en el dimensionamiento: CAPh · Lh = COPh − 1 ( RP + RS ·Fh ) COPh TL − TMIN • Capacidad y Potencia consumida de la bomba de calor • Tubería (Conductividad térmica) • Tipo de suelo (Conductividad térmica y humedad) • Factor de utilización • Temperatura del suelo • Temperatura Fluido 37 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof. Javier Urchueguía.6 10 3. Junio 2006 .DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BCG´s EN MODO CALEFACCIÓN: Efecto de la Temp.2 kW 25 COP 0 0 38 2 4 6 ºC 8 10 3 12 14 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.8 15 3. Prof. en lado frío (Evaporador) 4 20 3.4 5 Capacidad calorifica 3. 3 0. Prof.1 0 PE32 39 PE50A/PE100 PE50B PB(SDR-17) Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.K 0.2 0. Junio 2006 .DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BCG´s CONDUCTIVIDAD TÉRMICA TUBERÍA: Conductividad térmica de varios materiales 0.4 0. Javier Urchueguía.5 W/m . Prof. Junio 2006 .5 2 1.5 1 0.DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BCG´s TIPO DE SUELO: Conductividad Térmica de suelo y roca Conductividad Térmica (W/mºK) 3.5 3 2.5 0 Arena 40 Arcila Marga Limo Granito Arena saturada Arcilla saturada Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Junio 2006 .DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BCG´s FACTOR DE UTILIZACIÓN: 41 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Javier Urchueguía. Prof. Junio 2006 .DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BCG´s TEMPERATURA DEL SUELO: 42 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. 000 4.5 606 363 0 30 43 35 40 ºC 45 0 50 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.5 4 COP 4.DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BCG´s TEMPERATURA DEL FLUIDO EN LA BCG: Influencia de la Temperatura del Fluido en la BCG 5 14.4 3.5 4.473 longitud 3.000 2 1.000 2. Prof.000 8. Junio 2006 .5 10.5 6.72 4.254 0.000 1 2. Javier Urchueguía.000 3 COP 12.000 1.14 12.77 2. MODELOS MATEMÁTICOS PARA BCG´s Modelo de EED. 1985: q T = Ts ± G ( z. 1948: ⎤ α r2 0. Prof.351⎥ Ks r α t · ⎦ ⎣ si α ·t r 2 ≥1 El modelo de Kavanaugh. Suecia) MÉTODO DE ANÁLISIS EN ESTADO TRANSITORIO El modelo de Ingersoll & Plass.g ( .106 + 0.1833·q ⎡ T = Ts ± . ) H2 H 2π ·k 9α Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. p) Ks Donde: z= α ·t p= r2 n El modelo de Eskilson. Javier Urchueguía. GLHEPRO. 1987: Tb = Ts ± ∑ i =1 44 r ro qi − qi −1 t n − ti −1 rb . TRNSYS (Universidad de Lund. Junio 2006 .⎢log10 2 + 0. Prof. Junio 2006 ..SOFTWARE EXISTENTES PARA BCG´s Características Generales: Entradas: •Propiedades térmicas del suelo •Tipo de tubería •Configuración de la instalación •Propiedades del fluido •Información climática •Cargas térmicas del edificio para refrigeración y calefacción •Temperatura del suelo imperturbada •… Salidas: 45 •Requerimientos de longitud •Evolución de las temperaturas del fluido a lo largo del tiempo •. Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía.. JORNADA TÉCNICA: BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS - Valencia, Noviembre 29 - 30 de 2004 SOFTWARE EXISTENTES PARA BCG´s EED - EARTH ENERGY DESIGNER V 2.0 - Modelo desarrollado en la Universidad de Lund (Suecia) por Hellström & Sanner. - Objetivo: Calcula la evolución de las temperaturas del fluido (hasta 100 años) y los requerimientos de longitud del ICE. - Características: •Sólo para configuraciones verticales (308 config. en L, U, I...) •Bases de datos para: Suelos, tuberías y fluidos. •Las cargas térmicas son entradas por el usuario en base mensual (MWh) •Uso de las funciones g para el cálculo de la Resistividad y la temperatura del borehole. - Resultados: •Resistividad del borehole, las temperaturas del fluido para carga base y para carga pico y la longitud requerida. 46 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”, Prof. Javier Urchueguía, Junio 2006 SOFTWARE EXISTENTES PARA BCG´s EED V 2.0 47 47 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”, Prof. Javier Urchueguía, Junio 2006 SOFTWARE EXISTENTES PARA BCG´s GLHEPRO V 3.0 - Modelo desarrollado en IGSHPA-Universidad de Oklahoma (USA) por J. Spitler. - Objetivo: Calcula la evolución de las temperaturas del fluido (hasta 100 años),los requerimientos de longitud del ICE y la potencia consumida por la bomba de calor (COP, SPF…) - Características: •Sólo para configuraciones verticales (308 config. en L, U, I...) •Bases de datos para: Suelos, tuberías, fluidos y bombas de calor. •Las cargas térmicas son entradas por el usuario en base mensual (MWh) •Uso de las funciones g para el cálculo de la Resistividad y la temperatura del borehole. - Resultados: •Las temperaturas para carga base y para carga pico, la potencia consumida por la bomba de calor y la longitud requerida. 48 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”, Prof. Javier Urchueguía, Junio 2006 0 49 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Javier Urchueguía.SOFTWARE EXISTENTES PARA BCG´s GLHEPRO V 3. Junio 2006 . Prof. Javier Urchueguía. Junio 2006 .RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE Dimensionamiento de la BCG – Proyecto Geotermia 50 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. 6m •Distancia entre cada bucle: 0.RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE Dimensionamiento de la BCG – Proyecto Geotermia DATOS DE DISEÑO: •Configuración: Horizontal 3 •Distancia entre tubos de ida y vuelta en cada bucle: 0.8m •Profundidad: 1.5m •Tuberías: Polietileno 100 PN10 DN 1” •Clima: Valencia •Suelo: Arcilla Húmeda •Carga térmica: 9kW para calefacción y 16 kW para refrigeración •Bomba de calor: IZE 80 de CIATESA •Fluidos en el ICE: Agua 51 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Prof. Junio 2006 . 24 5000 3.72 Longitud(m) 3.18 15000 70005 m 3.21 3.28 35000 3.12 3.5 859 0 0 30 5 52 20001.16 3.8 3.2 20000 40003 2.49 28615 4.5 6000 4.16 10000 3.3 40000 2.28 Longitud (m) COP 4.5 7 40 Temperatura salidadedelalaBomba BombadedeCalor Calor(ºC) (ºC) Temperatura dede Salida 45 8 50 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.5 2. Junio 2006 0 .RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE Cálculos con ICE – Proyecto Geotermia Influencia de de la Temperatura Influencia la Temperaturaen enlalaBCG BCG(Invierno) (Verano) 3.14 3000 2 32.77 m 3.5 3.5 2045 3. Javier Urchueguía.5 6 35 37.24 30000 COP 4. Prof.14 4 5824 3.25 3.1 5202 12332882 5000 879 2009 1554 1092 1 1000 0.26 3.22 25000 3.4 3. Prof.Proyecto Geocool Arena Gruesa Arena Gruesa Con espaciadores Arena Fina Arena Gruesa Con espaciadores 53 Arena Fina. separadas las capas geológicas por bentonita Arena Fina Con espaciadores Con espaciadores Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía.RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE EED V2.0 .0 y GLHEPRO V 3. Junio 2006 . RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE EED V2.220 m 0. configuración rectángular 50 m 3m SINGLE-U 0. Prof. Junio 2006 .1178 K/(W/m)[calculada con EED] BOREHOLE •Configuración: •Profundidad: •Distancia entre Borehole: •Tipo de instalación: •Diámetro del Borehole •Diámetro de la tubería: •Conductividad térmica del tubo: 54 3 x 2.0 .420 W/m.5 °C 0.K 18. Javier Urchueguía.032 m 0.K 2400 kJ/m³.Proyecto Geocool DATOS DE DISEÑO: SUELO •Conductividad térmica: •Capacidad de calor volumétrica: •Temperatura del suelo imperturbado: •Resistencia Térmica del Borehole: 1.6 W/m.0 y GLHEPRO V 3.K FLUIDO Agua BOMBA DE CALOR IZE70(CIATESA) Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Junio 2006 December November October September August July June May April March February -1000 January kWh 0 . Javier Urchueguía.Edificio Geocool 3000 2000 periodo vacacional de la universidad 1000 -2000 -3000 -4000 Area = 200 m2 -5000 El software usado para la evaluación de las cargas térmicas es CALENER 55 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE Perfil de Carga Térmica . RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE Perfil de la Temperatura promedio del agua en la BCG Average Water temperature in the GCHE 40 35 Temperature ºC 30 2.6 ºC 25 20 15 10 GLHEPRO 5 EED 0 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 Months 56 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Prof. Javier Urchueguía. 16 4.6 4.2 4. Prof.55 4. 57 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.6 HSPF CSPF 3.02 3.93 3. Javier Urchueguía.0 4.8 4.RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE Cálculo del SPF para el sistema de BCG HSPF and CSPF for GCHE 4.8 3.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 years 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HSPF y CSPF para el sistema de BCG con bentonita 10% en agua y configuración rectangular 3x2.4 4. Junio 2006 25 . Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Junio 2006 .RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE Porcentaje de Mejora del sistema BCG vs CB aire-agua 58 BCG con bentonita 10% en agua y configuración rectangular 3x2. Javier Urchueguía. “ASPECTOS TÉCNICOS DE DISEÑO (II): PROPIEDADES TÉRMICAS DEL SUELO” 59 Investigación y Modelado de Sistemas Térmicos – IMST Instituto de Ingeniería Energética – IIE Universidad Politécnica de Valencia – UPV Lunes 29 de Noviembre de 2004 . Efecto profundidad sobre Temperatura Estacional 2. Clasificación del Terreno: Suelos y Rocas a.CONTENIDOS: 1. Javier Urchueguía. Mapas Geológicos 5. Mapas de Suelo 60 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Técnicas de Medida de Conductividad 4. Prof. Suelos b. Rocas 3. Junio 2006 . 1. Efecto de la Profundidad sobre la Temperatura estacional 61 . 5m m 24 Temperatura aat 5m Temperature 5m 22 20 18 16 14 12 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 month mes 62 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Junio 2006 12 .51.005 cm /s) 28 Air temperature Temperatura aire Temperatura (ºC) temperature 26 Temperature Temperatura aat 1. Prof.005cm2/s) Annual temperature variation in Valencia (soilen 2 (difusividad del suelo= 0.EFECTO DE LA PROFUNDIDAD SOBRE T ESTACIONAL: Variación anual de la temperatura Valencia diffusivity = 0. Clasificación del Terreno: Suelos y Rocas 63 .2. capaz de almacenar y conducir fluidos. Javier Urchueguía. Junio 2006 . ROCAS: ¾ Cualquier agregado mineral litificado formado de forma natural. compactado. Prof. 64 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.CLASIFICACIÓN DIFERENCIA ENTRE ROCAS DEL Y SUELOSTERRENO: SUELOS: ¾ Conjunto de material sólido no litificado. ¾ Tiene su origen en la roca madre. compactable y deformable. ¾ Poroso. El método se basa en la ecuación de Stokes x = θ / (t ) 1/ 2 ⎡ 30ηh ⎤ ⎥ ( ) g P − P 1 ⎦ s ⎣ 1/ 2 θ = 1000 ⎢ relaciona el diámetro de las partículas (x) con el tiempo de caída (t) y un parámetro que no es constante durante el proceso de sedimentación 65 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 .Se agita el suelo en una solución alcalina diluida en metafosfato sódico C ⎛ P1 ⎞ ⎜⎜1 − ⎟⎟ ϕ = P1 + 1000 ⎝ Ps ⎠ φ: densidad suspensión del suelo C: concentración de partículas en la suspensión Pl : densidad del líquido PS: densidad de las partículas .SUELOS TÉCNICAS DE DETERMINACIÓN DE LAS TEXTURAS DEL SUELO ¾ DENSÍMETRO . Prof. Javier Urchueguía. Las fracciones obtenidas en cada tamiz se secan y pesan.5 0.05 . Javier Urchueguía. Junio 2006 . . Prof. 66 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.Se hace pasar una dispersión con metafosfato sódico y la muestra se lava en cascada durante 30 min.¾ TAMICES .25 0.Colocación de tamices superpuestos de apertura : TAMAÑO APERTURA TAPIZ (mm) 1 0. Prof.002 ARCILLA < 0. Junio 2006 . Javier Urchueguía.05 – 0.05 LIMO 0.Los suelos seCLASIFICACIÓN clasifican segúnDE suSUELOS tamaño de grano: TIPO DE GRANO TIPO DE SUELO TAMAÑO PARTÍCULA (mm) GRAVA >2 ARENA 2 – 0.002 MARGA mezcla de grano grueso y fino GRANO GRUESO GRANO FINO GRANO GRUESO Y GRANO FINO 67 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof.ROCAS CLASIFICACIÓN DE ROCAS UNA ROCA PUEDE TRANSFERIRSE A OTRA A TRAVÉS DE CAMBIOS FÍSICOS-QUÍMICOS 68 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Javier Urchueguía. Prof.CLASIFICACIÓN DE ROCAS ROCAS ÍGNEAS BASALTO GABRO GRANITO ROCAS METAMÓRFICAS MÁRMOL 69 ESQUISTO DIORITA ROCAS SEDIMENTARIAS GNEISS COQUINA ARENISCA Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . 3. 70 . Técnicas de Medida de Conductividad. TÉCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD: Qué información obtengo de un test de conductividad? 71 ¾ Conductividad térmica del terreno: capacidad del terreno para transmitir el calor. Javier Urchueguía. Prof. Junio 2006 . Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. ¾ Difusividad Térmica del terreno: ratio entre la capacidad de conducción del terreno y la capacidad de almacenamiento térmico. Junio 2006 . Prof. ¾ 2 ensayos de duración mayor a 60s y espaciados en el tiempo 100s. Q t2 λ= ln 4 ⋅ π ⋅ ∆T t 1 72 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.TÉCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD DE SUELOS TPO2 NON-STEADY-STATE PROBE ¾ Formado por una vaina que contiene un cable de calentamiento y 2 termopares unidos donde uno actúa de referencia. Javier Urchueguía. 67 - ARCILLA 1. Junio 2006 .91 0.0093 ARCILLA SATURADA 1.11 0.0049 ARENA SATURADA 2.TÉCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDADES Conductividad y Difusividad de los distintos tipos de Suelo CONDUCTIVIDAD TÉRMICA [W/m ºK] DIFUSIVIDAD TÉRMICA [cm2/seg] ARENA ( O GRAVA) 0. Prof.006 TIPO DE SUELO 73 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.67 0.50 0. Javier Urchueguía.77 0.0054 MARGA 0.0045 LIMO 1. Javier Urchueguía. Prof.10 W/m K Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.21 W/m K 74 Arena húmeda: 1. Junio 2006 .TÉCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD: SUELOS Influencia humedad en la Conductividad Arena seca: 0. Junio 2006 . pasta de dientes o pegamento de silicona) entre la sonda y la roca.TÉCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD: ROCAS TPO2 NON-STEADY-STATE PROBE Se utiliza el mismo equipo que para medida de conductividades en suelos. ¾ 75 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. ¾ El ciclo de calentamiento se incrementa entre 100-1000 s. ¾ Es necesario un pretaladro. ¾ Tras introducir la sonda de medida es necesario introducir material de contacto (gel. ¾ Se ha de evitar la introducción de materiales de contacto que puedan tener convección térmica. Prof. Javier Urchueguía. en la roca para introducir la sonda de medida. Ø= 6 mm . Prof.ROCAS Conductividad de los distintos tipos de Roca 76 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Junio 2006 . 77 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. ¾ Tiene en cuenta el tipo y material de relleno.CONDUCTIVIDAD DE SONDEOS: TEST IN SITUDEL POZO CONDUCTIVIDAD ¾ Determina la resistencia del pozo donde se va a instalar el intercambiador. Javier Urchueguía. Prof. Junio 2006 . ¾ Se realiza a la profundidad de diseño del intercambiador. Resultados del test in situ PENDIENTE resistencia del pozo ≈ pendiente 78 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof. “ANÁLISIS ECONÓMICO DE LAS BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS” 79 . Javier Urchueguía.OPCIONES PARA CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN z CALEFACCIÓN – – – – – – 80 Eléctrica Propano/Butano/Diesel Gas Natural Bomba de Calor Agua Bomba de Calor Aire Bomba de Calor Geotérmica (BCG) z REFRIGERACIÓN – – – – – Enfriadora Condensadas por agua/aire Bomba de calor por Absorción Bomba de Calor Agua Bomba de Calor Aire Bomba de Calor Geotérmica (BCG) Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof. Junio 2006 . Prof.CUÁLES SON LOS ASPECTOS ECONÓMICOS DE LAS BCG´s? ¾ MAYOR COSTE DE INSTALACIÓN ¾ AHORRO ENERGÉTICO SIGNIFICATIVO (40% . Junio 2006 . Javier Urchueguía.60%) ¾ INCENTIVOS AL AHORRO ENERGÉTICO ¾ ESQUEMAS DE FINANCIACIÓN ESPECIALES ¾ PERÍODO DE RETORNO 81 ¾ EJEMPLO Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Comparar el coste de equipo y de instalación de BCG´s con el coste de sistemas similares.COSTE DE INSTALACIÓN UNIVERSIDAD DE ALABAMA… REALIZÓ UN ESTUDIO DE COSTOS EN BCG´s: (Encuesta a 547. CONCLUSIÓN: Los altos costes de la instalación de BCG´s se deben principalmente al alto coste de la excavación. Prof. respuesta de 285. 82 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. 57%) • • Identificar el coste total y de componentes actuales de BCG´s. Junio 2006 . Javier Urchueguía. investigación y desarrollo con los fabricantes.COSTE DE INSTALACIÓN Coste medio de BCG: Tomado de: Steven Kavanaugh and Christopher Gilbreath. Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.5 kW) Vertical: 860 U$/kW (10. • Compartir el coste de entrenamiento. Javier Urchueguía. Prof. (Excavación y bomba de calor) • Evitar bajar costes a expensas de la calidad. 1995 Horizontal: 675 U$/kW (17.5 kW) Comparándolo con un equipo convencional (17. Junio 2006 .5 kW) el coste agregado era de 350-450 U$/kW 83 • Reducir los costes de componentes más relevantes. Porcentaje(%) de instalaciones de varios tipos (resultado de la encuesta) 84 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof. Junio 2006 .5 kW Feet = 0.3048 m 85 (T) = Excavadora de cadena… (B) = Retroexcavadora Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.Longitud Promedio de Tubería y Zanja/Pozo por TON TON = 3. Javier Urchueguía. Prof. Javier Urchueguía.5 kW Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 .Costes del resto de la Instalación (sin Intercambiador enterrado) 1620 $/TON 1748 $/TON 1971 $/TON 1205 $/TON 1393 $/TON 1580 $/TON 25 % 20 % 86 20 % TON = 3. Prof. Agua 87 TON = 3.Costes de unidades de Bombas de Calor Aire . Junio 2006 . Javier Urchueguía. Prof.5 kW Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Prof.5 kW Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Javier Urchueguía. Junio 2006 .Comparación del Coste Total de Sistemas Convencionales y BCG 88 TON = 3. Javier Urchueguía. Prof.AHORRO ENERGÉTICO Componente Energética (kWh ahorrados) $ $ $ 89 Componente de Potencia (kW contratados) Componente de mantenimiento Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Prof. Javier Urchueguía.INCENTIVOS AL AHORRO ENERGÉTICO Energía geotérmica para generación de calor Clasificada como energía renovable por el libro blanco de la energía de la Unión Europea Subvencionabilidad de proyectos energías renovables Hasta el 40% del coste atribuible al carácter renovable 90 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . e c-> revalorización de la energía i -> inflación e-> interés bancario Estudio dinámico de la rentabilidad de la inversión. 91 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.PERÍODO DE RETORNO Coste inversión Ahorro anual VAN Mantenimiento (PERIODO DE RETORNO) Agentes económicos: c. Prof. Javier Urchueguía. i. Junio 2006 . EJEMPLO Estudio de rentabilidad de una instalación de bomba de calor geotérmica Parámetros de diseño • 42 KW de refrigeración • 38 KW de calefacción • 500 metros cuadrados • Intercambiador vertical • 9 pozos de 50 metros de profundidad Programas de apoyo a las energías renovables Coste sin subvención . Junio 2006 .Caso I ---> 17100 euros Coste con subvención (40 %) . Prof.Coste de inversión II = 10260 € 92 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.Caso II ---> 10260 euros Coste de inversión I = 17100 € . Javier Urchueguía. Javier Urchueguía.de ahorro anual. Prof. Mejora del 40 % en calefacción Determinación Mejora del 40 % en refrigeración Energía ahorrada por año = 11200 kWh Energía ahorrada por año = 13100 kWh 0.082 €/kWh Ahorro calefacción = 920 € Ahorro refrigeración = 1070 € Ahorro anual ---> 1990 € 93 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 . Costes de Mantenimiento Sistema convencional Mantenimiento alto (torres de refrigeración) Sistema bomba calor geotérmica Mantenimiento bajo CMgeotérmico – CMconvencional < 0 ¡¡Supone un ahorro frente al coste diferencial de la instalación convencional!! Coste de mantenimiento anual ---> 0 € 94 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”, Prof. Javier Urchueguía, Junio 2006 Evolución del Valor Actual Neto de la instalación 30000 Caso Uso bajo Uso moderado Uso alto 25000 Valor Actual Neto (VAN) 20000 Periodo de retorno CON Subvención 13,6 4,7 3,2 SIN Subvención 21,5 8,1 4,9 15000 10000 5000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -5000 -10000 -15000 -20000 Tiempo (años) 95 Uso moderado SIN Subvención Uso bajo SIN Subvención Uso elevado SIN Subvención Uso moderado CON Subvención Uso bajo CON Subvención Uso elevado CON Subvención Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”, Prof. Javier Urchueguía, Junio 2006 10 Influencia de la financiación 20000 Interés bajo Interés medio Interés alto Valor Actual Neto (VAN) 15000 10000 5000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -5000 -10000 c-> revalorización de la energía i -> inflación e-> interés bancario -15000 Tiempo (años) 96 10 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”, Prof. Javier Urchueguía, Junio 2006 Fijos Prof.Diseño: Compromiso Longitud . Javier Urchueguía.Ahorro 25 7064 Payback Estático (años) 20 15 221 10 260 1762 313 5 387 560 788 0 0 97 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Longitud en función de la temperatura de salida de la bomba de calor 7000 Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”. Junio 2006 8000 . ROMERO. Javier Urchueguía. Prof. Junio 2006 GIOVANNI E. “Análisis Económico de las Bombas de Calor Geotérmicas” .CONCLUSION (COMPARACIÓN SISTEMAS CONVECIONALES VS BCG) 98 Nuevos VAN Sistemas (Período Retorno) Coste Inicial BCG El mejor Muy Alto El más bajo El más bajo El mejor BC agua 2º mejor 2º más bajo 2º más bajo 2º más bajo 3º mejor Sistemas 3º mejor (4Tubos) Muy Alto 3º más bajo El más alto 2º mejor BC aire El más bajo 3º más bajo El peor El peor Coste Coste Vida Operación Mantenimiento Útil El más alto Curso de doctorado sobre “Técnicas Energéticas Avanzadas”.