Aplicación de sistemas de energía geotérmica y solar en vivienda unifamiliar aislada : estudio y viabilidad económica

Agradecimientos I A mis padres por su apoyo y ánimos durante todos estos años, A mi suegra por todas las velas que puso a los santos por mí, y a mi suegro por su disponibilidad para cualquier cosa A mis tutores de proyecto, Isa y en especial a Andrea que me ha guiado en la parte final A mi mujer, amiga y esposa Chelo, por estar siempre a mi lado y soportar mis ausencias por el estudio, A mi hijo Jorge, mi pequeño, por transmitirme energía y fuerza para terminar Y en general a todos los que tuvieron algo que ver en todo este largo camino, iniciado en 1999 y que termina ahora, en 2011, con este Proyecto Final de Grado Agradecimientos II Resumen III PROYECTO DE APLICACIÓN DE SISTEMAS DE ENERGÍA GEOTÉRMICA Y SOLAR EN VIVIENDA UNIFAMILIAR AISLADA. ESTUDIO Y VIABILIDAD ECONÓMICA. RESUMEN DEL PROYECTO En el presente proyecto se va a realizar el estudio de implantación de dos instalaciones de energías renovables en una vivienda unifamiliar ya construida y situada en el término municipal de Ribarroja del Turia, Valencia. Por un lado la instalación de un sistema de climatización geotérmico, que utiliza la energía que se encuentra en el subsuelo, la cual, mediante el uso de una bomba de calor geotérmica, se transfiere a la vivienda en forma de frio o calor, según sea necesario. Por otro lado se realiza la propuesta de disponer en la cubierta una instalación solar fotovoltaica en régimen especial, capaz de producir energía eléctrica a partir del sol e inyectarla en la red general obteniendo beneficio económico por cada kW producido e introducido a la red general. En la primera parte del proyecto se desarrollan aspectos generales de la energía geotérmica y solar fotovoltaica así como los componentes y funcionamiento de las diferentes instalaciones para un obtener un conocimiento previo antes de pasar al estudio. Tomando como referencia los datos que disponemos de la vivienda como son climatología del lugar, características constructivas, superficies y volúmenes, así como unas condiciones de confort preestablecidas, se evalúan y calculan las necesidades térmicas de la vivienda, tanto de calefacción como de refrigeración necesarias para dimensionar la instalación geotérmica. Para el cálculo de la instalación solar fotovoltaica tomamos como punto de partida, además de la situación geográfica y orientación de la vivienda, la superficie disponible Resumen IV de cubierta que podemos utilizar, sin causar molestias a otros elementos o instalaciones ya existentes. A partir de los datos obtenidos de los diferentes cálculos realizados dimensionamos y diseñamos las diferentes instalaciones realizando un estudio de mercado para elegir los aparatos y elementos más adecuados que utilizaremos en las instalaciones, como la bomba de calor en el caso del sistema geotérmico o los paneles fotovoltaicos y el inversor en la instalación solar. La parte final del proyecto se ha dedicado a efectuar un estudio de viabilidad de las instalaciones en cuanto al aspecto económico y energético, comparando el sistema de climatización geotérmico frente a una instalación de caldera de gas natural y radiadores para calefacción y una instalación con bomba de calor convencional del tipo aire-aire para la refrigeración, obteniendo así el ahorro energético y económico que se obtiene con este sistema. Se cuantifica también el ahorro producido en emisiones de CO2 a la atmosfera. En cuanto a la instalación solar fotovoltaica se realiza la comparación entre la cantidad de energía eléctrica que teóricamente será capaz de producir nuestra instalación frente al consumo eléctrico que se produce habitualmente en la vivienda. A partir de los datos económicos obtenidos, se ha desarrollado una simulación para obtener el periodo de amortización económica y retorno de la inversión realizada inicialmente en ambas instalaciones. Índice V pág. AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………………………………………… I RESUMEN……………………………………………………………………………………………………………….. III INDICE…………………………………………………………………………………………………………………… V LISTADO DE FIGURAS Y TABLAS ………………………………………………………………………………. IX 1. Introducción y objetivos…………………………………………………………………………….………. 1 1.1. Introducción.………………………………………………………………………………………………. 1 1.2. Objetivos específicos del proyecto………………………………………………………..…….. 3 1.3. Normativa aplicable……………………………………………………………………………….…… 4 2. Energía geotérmica y energía fotovoltaica…………………………………………………….…… 5 2.1. Energía geotérmica………………………………………………………………………………….…. 5 2.1.1. Definición…………………………………………………………………………………………. 5 2.1.2. Historia y alcance de la energía geotérmica en nuestros días…………… 9 2.1.3. Clasificación de la energía geotérmica y sus aplicaciones………………… 10 2.1.4. Propiedades…………………………………………………………………………………….. 12 2.2. Energía solar fotovoltaica……………………………………………………………………………. 14 2.2.1. Definición. Usos y ventajas………………………………………………………………. 14 2.2.2. Historia……………………………………………………………………………………………. 17 2.2.3. Tipos de sistemas fotovoltaicos……………………………………………………….. 18 3. Descripción de las instalaciones…………………………………………………………………….….. 21 3.1. Sistema de climatización mediante energía geotérmica……………………………… 21 3.1.1. Funcionamiento del sistema…………………………………………………………… 21 3.1.2. Componentes de la instalación……………………………………………………….. 24 A. Bomba de calor geotérmica………………………………………………………. 24 B. Sistema de tuberías……………………………………………………………….….. 27 C. Sistemas de calefacción/refrigeración en viviendas………………..…. 29 3.2. Sistema fotovoltaico de conexión a red……………………………………………………… 30 3.2.1. Funcionamiento del sistema……………………………………………………………. 30 Índice VI 3.2.2. Componentes de la instalación………………………………………………….……… 32 a. Módulos fotovoltaicos…………………………………………………………… 32 b. Inversor de conexión a red……………………………………………………. 33 c. Estructura……………………………………………………………………………… 35 d. Seguridad y cableado…………………………………………………………….. 36 e. Seguidores solares………………………………………………………………… 36 3.2.3. Marco legal……………………………………………………………………………………… 37 4. Memoria descriptiva de la vivienda objeto de estudio y cálculo de la demanda energética………………………………………………………………………………….… 39 4.1. Descripción de la vivienda………………………………………………………………….… 39 4.2. Memoria constructiva de la vivienda…………………………………………………… 43 4.3. Demanda energética de la vivienda. ………………………………………………..…. 49 4.3.1. Climatización……………………………………………………………….……………… 49 A. Punto de confort……………………………………………………................... 49 B. Necesidades de refrigeración…………………………………..…………….. 50 C. Necesidades de calefacción…………………………………………………….. 53 4.3.2. Electricidad………………………………………………………………….…………………. 55 5. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica……………………………. 57 5.1. Instalación geotérmica. …………………………………………………………………………… 57 5.1.1. Sistema de captación…………….……………………………………………………. 58 5.1.2. Bomba de calor. …………………………………………………………………………. 62 5.1.3. Sistema de distribución………………………………………………………………. 64 5.2. Instalación fotovoltaica. ………………………………………………………………………… 66 5.2.1. Dimensionado. ……………………………………………………………………………… 66 A. Obtención de datos geográficos y climatológicos………………….… 67 B. Calculo de la radiación prevista en la ubicación seleccionada…. 67 C. Datos relativos al sistema…………………………………………………….….. 71 D. Perdidas…………………………………………………………………………….…….. 73 E. Resultados……………………………………………………………………………….. 74 5.2.2. Integración en el edificio…………………………………………………..……….. 76 Índice VII 6. Viabilidad………………………………………………………………………………….………………… 81 6.1. Instalación geotérmica…………………………………………………………………………. 81 6.1.1. Presupuesto de la instalación……………………………………………………… 81 6.1.2. Ahorro energético respecto al sistema convencional………………….. 83 A. Calefacción……………………………………………………………..……………….. 83 B. Refrigeración……………………………………………………………………..…….. 84 C. Totales……………………………………………………………………………….…….. 87 6.1.3. Análisis económico de la instalación…………………………………….….. 87 6.1.4. Ahorro en emisiones de CO2........................................................... 88 6.2. Instalación fotovoltaica………………………………………………………………………….… 91 6.2.1. Presupuesto de la instalación……………………………………………...….. 91 6.2.2. Comparativa de la energía eléctrica consumida – producida..….. 92 6.2.3. Análisis económico de la instalación solar fotovoltaica………....…. 94 CONCLUSIONES………………………………………………………………………………….………………… 97 DOCUMENTACION……………….………………………………………………………….……………..……. 105 ANEXOS………………………………………………………………………………….…………………..….……. 107 1. Documentación gráfica de la vivienda……………………………………………….……… 109 2. Calculo de cargas térmicas…….………………………………………………………….……… 131 3. Cálculos económicos..…………………………………………………………………………….…… 141 4. Fundamentos teóricos de la bomba de calor geotérmica…………………….….….. 147 4.1. Bomba de calor geotérmica………………………………………………………………….. 148 4.1.1. Elementos………………………………………………………………………………. 148 4.1.2. Funcionamiento……………………………………………………………………… 150 4.1.3. Fluido refrigerante…………………………………………………………………… 155 5. Catálogos de los equipos…………………………………………………………………….….…. 157 Índice VIII Listado de figuras y tablas IX LISTADO DE FIGURAS Y TABLAS  FIGURAS Pág. Figura 1. Estructura interna de la Tierra…………………………………………………………………………….…….…… 6 Figura 2. Temperatura en el subsuelo según la profundidad y diferentes épocas del año……………... 8 Figura 3. Usos de la energía geotérmica según su temperatura………………………………………..………….. 11 Figura 4. Usos de la energía geotérmica según su temperatura……………………………………………………. 19 Figura 5. Sistema de lazo cerrado disposición vertical……………………………………………..……………………. 23 Figura 6. Bomba de calor geotérmica en modo refrigeración………………………………………………………… 26 Figura 7. Bomba de calor geotérmica en modo calefacción………………………………….……………….…….. 26 Figura 8. Calefacción - refrigeración con bomba de calor agua-aire …………………………………………… 29 Figura 9. Esquema de un sistema fotovoltaico conectado a red. …………………………………………………. 31 Figura 10. Módulo fotovoltaico. …………………………………………………………………………..…………………….. 32 Figura 11. Inversores de corriente y protecciones. ………………………………………………..……………………… 34 Figura 12. Estructura para módulos fotovoltaicos………………………………………………….……………………. 35 Figura 13. Seguidor solar instalado en tejado…………………………………………….………….…………………….. 36 Figura 14. Situación de vivienda unifamiliar (fuente: google maps)……………………….…………………….. 40 Figura 15. Distribución de vivienda planta baja……………………………………………..……………………………… 41 Figura 16. Distribución de vivienda planta primera…………………………………………..…………………………… 41 Figura 17. Distribución planta sótano……………………………………………………………..……………………………. 42 Figura 18. Cimentación y forjado……………………………………………………………………..……………………………. 43 Figura 19. Cubierta ajardinada………………………………………………………………………..……………………………. 44 Figura 20. Cubierta plana transitable………………………………………………………………..………………………….. 45 Figura 21. Cerramiento exterior de fachada………………………………………………………..………………………… 46 Figura 22. Zona de confort o bienestar (modelo de Olgyay)……………………………………..…………………… 49 Figura 23. Propiedades de varios tipos de suelos (fuente: RETscreen International)……….……………… 60 Figura 24. Situación de perforación del pozo………………………………………………………………..……………….. 61 Figura 25. Bomba de calor geotérmica ECONAR modelo EV 470/471………………………………….………… 62 Introducción y objetivos - 4 - 1.3. NORMATIVA APLICABLE. Se detalla a continuación la normativa que hemos utilizado en la redacción de este proyecto.  Código Técnico de la Edificación (C.T.E.), aprobado por el R.D. 314/2006.  Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (R.I.T.E.), aprobado por el R.D. 1027/2007.  Pliego de Condiciones Técnicas de Baja Temperatura para Instalaciones de Energía Solar Térmica, publicado por el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE).  Normas UNE que son de aplicación al proyecto  Reglamento electrotécnico para Baja Tensión  Reglamento de Aparatos a Presión  Real Decreto 436/2004 sobre la producción de energía eléctrica mediante energías renovables.  Real Decreto 1663/2000 del 29 de Septiembre sobre la conexión de la instalación fotovoltaica a la red de baja Tensión.  Real Decreto 3490/2000 de 20 de Septiembre sobre los derechos de verificación de la compañía eléctrica. Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 5 - 2.1. ENERGIA GEOTERMICA 2.1.1. Definición Geotermia es una palabra de origen griego que deriva de “geos” que quiere decir tierra, y de “thermos” que significa calor, es decir, el calor de la tierra. [1] Esta palabra se emplea indistintamente para designar tanto a la ciencia que estudia los fenómenos térmicos internos del planeta como a conjunto de procesos industriales que intentan explotar ese calor para producir energía. Por lo tanto podemos definir la energía Geotérmica como “LA ENERGÍA ALMACENADA EN FORMA DE CALOR POR DEBAJO DE LA SUPERFICIE DE LA TIERRA". Esta definición engloba el calor almacenado en rocas, suelos y aguas subterráneas, cualquiera que sea su temperatura, profundidad o procedencia. A esta definición se le podría sumar también la energía que se encuentra almacenada en las aguas superficiales, ya sean continentales o marinas. [1] Energía geotérmica y energía fotovoltaica 2 Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 6 - Desde el centro hasta la superficie, el globo terrestre está formado por tres capas sucesivas de temperatura decreciente: [1] Figura 1. Estructura interna de la Tierra.  El núcleo, solido en su parte interna y liquido en su parte exterior, con una temperatura que pude alcanzar los 4.200 C.  El manto, que envuelve al núcleo, con temperaturas que van desde los 3.000 °C hasta los 1.000 °C. Tiene una textura plástica en su parte más interna y se va haciendo solido en su parte hacia la superficie.  La corteza, corresponde a la envoltura superficial, tiene un espesor que varía desde 5 a 20 km en las profundidades oceánicas, y desde 30 a 70 km bajo los continentes. Su temperatura varía desde los 1.000 °C en su contacto con el manto, hasta los 15 – 20 °C de la superficie terrestre. Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 7 - El resultado de esta estructura interna es que el 99% de la masa de la tierra esta sometida a temperaturas superiores a los 1000 °C y únicamente un 0,1% de la misma soporta superficies inferiores a los 100 °C. El origen de este calor interno del globo terrestre se debe a los siguientes motivos:  Desintegración de los isotopos radioactivos presentes en la corteza y en el manto.  Calor inicial que se liberó durante la formación del planeta hace 4500 millones de años y que todavía está llegando a la superficie.  Movimientos diferenciales entre las diferentes capas que constituyen la Tierra, principalmente entre el manto y el núcleo.  Cristalización del núcleo. En su zona externa (liquida) está cristalizando continuamente y en la zona de transición con el núcleo interno (solido) se libera calor. Además del calor interno, la superficie de la tierra recibe del sol gran cantidad de energía, en forma de calor. Esta energía penetra en el subsuelo a escasa profundidad, contribuyendo a mantener la superficie del planeta a una temperatura promedio de 15°C, y es irradiada de nuevo al espacio, por lo que no interviene en los procesos energéticos que afectan al interior de la Tierra. Es este calor más superficial llamado de muy baja temperatura o entalpia, el que se utiliza como fuente de energía de uso doméstico en viviendas. Por lo tanto no hace falta hablar de un yacimiento de energía geotérmica de baja temperatura, ya que cualquier punto a poca profundidad de la corteza terrestre puede ser empleado como fuente de energía al estar la temperatura normalmente por debajo de los 25 °C incluso en las zonas con climas fríos. La temperatura media que tiene el subsuelo en un determinado punto es aproximadamente igual a la temperatura media anual de la zona. En España se estima que la temperatura media del subsuelo puede estar en torno a los 15 °C. Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 8 - Si hacemos un estudio de la temperatura que tiene el subsuelo a medida que profundizamos en diferentes épocas del año, obtendremos un gráfico en el que observamos cuatro curvas: [2] Figura 2. Temperatura en el subsuelo según la profundidad y diferentes épocas del año  Azul: En invierno, a medida que profundizamos, la temperatura va aumentando hasta alcanzar un valor fijo de 10 °C.  Roja: En verano ocurre lo contrario; a medida que profundizamos la temperatura desciende hasta los 10 °C.  Verde y amarilla: En primavera y otoño las variaciones son menores, llegándose a alcanzar, en profundidad, el mismo valor de 10 °C Este hecho es sumamente importante porque quiere decir que a partir de una determinada profundidad, la temperatura del subsuelo es constante, e independiente de la estación anual en la que nos encontremos y por supuesto, independiente de la hora del día o de la noche. Disponemos por ello, a unos pocos metros de nosotros, de Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 9 - una fuente de energía constante a lo largo de todo el año y accesible en todos los lugares. Por lo tanto podemos afirmar que la temperatura en estos primeros metros de la corteza terrestre se mantiene a temperatura constante debido al efecto de las dos fuentes de calor que ya hemos mencionado:  La energía procedente del sol que aporta 1,74 x 1017 J/m2s  La energía terrestre (desintegración isotópica, calor inicial, movimientos diferenciales) que aportan 4,2 x 1012 j/m2s. A medida que se profundice, mayor importancia adquiere la energía procedente del interior de la tierra. Sin embargo en las primeras decenas de metros el sol es una auténtica fuente de energía, que no solo calienta la superficie de la corteza terrestre, sino que calienta toda la atmósfera y por consiguiente las nubes y el agua de lluvia que se convierte de esta manera en un aporte extra de energía al subsuelo. Está comprobado que cuando llueve, la temperatura del terreno aumenta ya que se está realizando un aporte de energía al subsuelo. Además, la humedad aportada al terreno aumentará su capacidad de conducción térmica, favoreciendo el intercambio entre captadores y terreno. 2.1.2. Historia de la geotermia [1] La presencia de volcanes, géiseres, fuentes termales y otras manifestaciones termales como géiseres o fumarolas se han conocidos desde tiempos muy antiguos. Sin embargo fueron los griegos y posteriormente los romanos los que dejaron numerosos ejemplos de la aplicación de la energía geotérmica para uso doméstico, como fueron las tradicionales termas y baños públicos. En 1330 ya existía una red de distribución de agua caliente en algunas casas en Chaudes-Aigues, población de Francia con yacimientos de aguas termales. Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 10 - En los siglos XVI y XVII se empezaron a realizar las primeras mediciones en pozos y minas de algunos cientos de metros de profundidad, que revelaron que la temperatura aumenta con la profundidad de forma general en todo el planeta. A partir del siglo XIX, los avances técnicos y permitieron buscar cada vez a mayor profundidad, y explotar cada vez mejor el calor de la Tierra. En 1911 se construyó la primera planta de producción de energía eléctrica mediante geotermia del mundo en Larderello, una ciudad de la Toscana. Durante varias décadas continúo siendo el único lugar del mundo en el que la geotermia se utilizaba para la producción de electricidad además, de otros usos industriales y residenciales. Durante esta época otros países como Japón, EEUU o Islandia, comenzaron a desarrollar sus recursos geotérmicos, realizándose en 1945 la primera instalación con bomba de calor geotérmica en una vivienda en Indianápolis, EE.UU. Sin embargo, es tras la crisis energética de los años setenta cuando el interés por esta fuente de energía se desarrolla rápidamente en todo el mundo, y se inicia una intensa actividad de exploración e investigación de recursos geotérmicos con el objetivo de utilizarlos para la producción de energía eléctrica o para calefacción y agua caliente. 2.1.3. Clasificación de la energía geotérmica y sus aplicaciones [1] La clasificación se realiza en función de la temperatura del subsuelo. Así pues se establecen cuatro tipos de energía geotérmica.  Alta temperatura: más de 150 °C. Una temperatura superior a 150 °C permite transformar directamente el vapor de agua en energía eléctrica.  Media temperatura: entre 90 y 150 °C. Permite producir energía eléctrica utilizando un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las centrales. Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 11 -  Baja temperatura: entre 30 y 90 °C. Su contenido en calor es insuficiente para producir electricidad, pero es adecuado para calefacción de edificios y determinados procesos industriales.  Muy baja temperatura: menos de 30 °C. Puede ser utilizada para calefacción y climatización, necesitando emplear bombas de calor. Las aplicaciones que se pueden dar a un fluido geotermal dependen de su contenido en calor, o lo que es lo mismo, de su entalpía. Entalpía es la cantidad de energía térmica que un fluido, o un objeto, puede intercambiar con su entorno. Se expresa en kJ/kg o en kcal/kg. Como no se puede medir la entalpia de un fluido en el subsuelo, pero si podemos medir su temperatura a través de ondas térmicas, y se considera que entalpia y temperatura son, más o menos, proporcionales, es esta la que determina su futura aplicación industrial. Figura 3. Usos de la energía geotérmica según su temperatura Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 12 - Podemos observar en la figura 3 que para usos relativos a la vivienda doméstica se utiliza energía geotérmica de baja y muy baja temperatura, quedando la energía de media y alta temperatura para su utilización en procesos industriales. El uso de la energía geotérmica de forma directa en los edificios se dirige a la climatización (frio/calor) ya sea con bombas de calor o por circulación de agua, así como la producción de agua caliente sanitaria. 2.1.4. Propiedades. [1] A continuación enumeramos las propiedades más destacables de la energía geotérmica  Energía renovable Si lo medimos a la escala del planeta, la energía geotérmica es el recurso energético más grande que existe. Aunque la tierra se enfría, ya que desprende más calor que el que produce, lo hace a un ritmo muy lento; unos 130 °C cada mil millones de años, por lo que a escala humana el calor de la tierra es ilimitado.  Energía limpia Ninguna instalación que emplea energía geotérmica precisa quemar combustibles, por lo que no contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero. Las instalaciones que emplean bombas de calor geotérmica para climatización y producción de agua caliente solo consumen energía eléctrica para el funcionamiento de los compresores eléctricos, las bombas de circulación y los ventiladores en el interior del edificio, por lo que las emisiones equivalentes a esa producción de electricidad en origen son muy inferiores a la de los sistemas tradicionales. Las bombas de calor utilizan sistemas de refrigeración sellados en fabrica que rara vez o nunca se recargan, por lo que no contribuyen a la destrucción de la capa de ozono. Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 13 - La cantidad media de CO2 emitida por las centrales geotermoeléctricas en el mundo es de 55 g/kWh, mientras que una central de gas natural emite 10 veces más. Las centrales geotérmicas eléctricas modernas son muy compactas, ocupan menor superficie que las nucleares o de carbón, además de que no necesita transporte ni almacén de combustibles, por lo que pueden ser integradas más fácilmente en el paisaje.  Energía económica Un sistema con bomba de calor geotérmica para una casa individual supone un coste de inversión elevado, por regla general del doble de una instalación clásica de calefacción y refrigeración. Sin embargo, los costes de explotación son mucho más bajos que los de estos otros equipos, pues los costes de mantenimiento son generalmente muy reducidos y, fundamentalmente, porque su rendimiento energético elevado reduce el consumo de la energía de pago. Siendo la inversión inicial elevada, el coste de explotación es bajo y cada vez será más competitivo con la explotación de las energías fósiles, donde los precios irán creciendo con el agotamiento de los recursos y las restricciones ambientales.  Energía eficiente Las instalaciones convencionales para climatización de edificios se diseñan generalmente para condiciones extremas. Gracias a la energía geotérmica, debido a la mayor estabilidad de las temperaturas del subsuelo, se podrán instalar bombas de calor de menor capacidad que si tuviesen que utilizar la temperatura ambiente exterior. En climas con variaciones importantes de temperatura, las bombas de calor geotérmicas tienen mejores prestaciones que las bombas de calor que utilizan aire exterior, cuyo rendimiento baja considerablemente con las temperaturas extremas. Energía geotérmica y energía fotovoltaica - 20 - - Sistemas híbridos: En algunos casos el sistema fotovoltaico aislado se puede complementar con otro a fin de tener mayores garantías de disponer de electricidad. Esta combinación se da para aprovechar algún otro recurso energético localizado cerca de la instalación o para tener mayor fiabilidad en el suministro de energía. Normalmente la generación fotovoltaica es compatible con cualquier otra generación eléctrica. Descripción de las instalaciones 21 3.1. SISTEMA DE CLIMATIZACION MEDIANTE ENERGÍA GEOTERMICA 3.1.1. Funcionamiento del sistema [2] [1] El sistema geotérmico de climatización de baja entalpia aprovecha la inercia térmica de la tierra a profundidades que van de 2 a 150 m. dependiendo si la instalación utiliza conductos de captación verticales, hasta 150 m de profundidad, u horizontales, a una profundidad entre 2 y 5 m. Se diferencia de la energía geotérmica convencional de agua caliente extraída a profundidades que pueden llegar hasta los 5 km, en que trabaja a temperaturas del terreno entre 0°C y 20°C dependiendo de la latitud. En España la temperatura del terreno en los primeros metros es de unos 15 °C. La climatización se realiza aprovechando la diferencia de temperatura entre el subsuelo y el ambiente exterior, a través de un colector instalado bajo tierra que en Descripción de las instalaciones 3 Descripción de las instalaciones 22 invierno aprovecha la temperatura más alta del suelo para la calefacción, y en verano la temperatura más baja para la refrigeración. Para diferenciarlo del sistema geotérmico clásico de aprovechamiento del agua caliente a gran profundidad, el sistema se llama geotérmico de bomba de calor, en ingles se le conoce con las siglas GHP (Geotermal Heat Pump) o GSHP (Ground Source Heat Pump). Como característica favorable respecto a la energía solar térmica es que este sistema no es afectado por las condiciones meteorológicas o estacionales, ya que la temperatura del subsuelo permanece constante durante todo el año. El sistema puede actuar en lazo abierto o cerrado. Se utiliza el sistema de lazo abierto en el caso de que se disponga en el terreno de una fuente de agua, un pozo, río, embalse, acequia o lago. La tubería colectora extrae el agua y la envía al intercambiador de calor de la bomba de calor y la retorna a una cierta distancia de su origen, sin contaminarla en el proceso. Este sistema es el preferible, ya que resulta más económico, pero no siempre es posible, pues las normas locales de sanidad pueden prohibirlo. En el sistema de lazo cerrado disponemos un circuito por el que circula el líquido intercambiador y se compone básicamente de:  Red de tuberías enterradas en el subsuelo, horizontales, verticales o sumergidas en lagos o estanques, con agua en su interior circulando mediante una bomba. La red actúa como un intercambiador de calor que toma el calor relativo de la tierra en invierno y el frío relativo en verano.  Bomba de calor geotérmica con refrigerante en un circuito intermedio. El lado caliente del circuito comprime el gas y aumenta su temperatura, que se transmite al circuito de distribución de calor del edificio, mientras que el lado frío del circuito actúa a la inversa. Descripción de las instalaciones 23  El circuito de distribución del edificio puede incorporar, suelo radiante o bien radiadores o bien conductos de aire para repartir las frigorías o calorías generadas por el intercambiador enterrado en la tierra. En nuestro proyecto vamos a utilizar un sistema de lazo cerrado dispuesto verticalmente. Figura 5. Sistema de lazo cerrado disposición vertical Cuando se pretende medir o cuantificar la eficiencia energética de un sistema esta se expresa utilizando términos de COP (Coefficient of Performance = Coeficiente de Rendimiento). El COP expresa el grado de eficiencia del sistema de calefacción o refrigeración de la bomba de calor geotérmica y es el cociente entre la energía (calorífica o de refrigeración) que produce, dividida por la cantidad de energía empleada para LAZO CERRADO BOMBA DE CALOR GEOTERMICA CIRCUITO DE DISTRIBUCION Descripción de las instalaciones 24 producirla. En nuestro caso será la electricidad la energía empleada para alimentar la bomba geotérmica. Para una mejor comprensión lo explicaremos mediante un ejemplo numérico: El valor típico del COP varía entre 3,5 y 5,5. Esto quiere decir: Si extraemos de la tierra 10 kW, solo nos cuesta = 2,86 kW o bien, dependiendo de la bomba geotérmica = 1,81Kw Además, el sistema en si, no genera CO2, exceptuando la energía eléctrica de alimentación de la bomba que puede producir CO2 según se esté generando. 3.1.2. Componentes de la instalación [2] [7] A. Bomba de calor geotérmica. Las leyes que sobre la forma de comportarse los gases enunciaron Boyle, Mariotte, Charles y Gay-Lussac, no son más que el reflejo de un principio ya conocido desde muy antiguo por los físicos y que puede enunciarse así: “Un gas se calienta cuando se comprime y se enfría cuando se expande”. Este sencillo enunciado, casi evidente, es el origen de una de las máquinas con más difusión en la sociedad y con la que vamos a explicar el funcionamiento básico de una bomba de calor. En efecto, los clásicos frigoríficos, tanto domésticos como industriales, utilizan este principio. Los denominados comúnmente “refrigerador” o “nevera” son armarios o cajones aislados térmicamente para que el calor no penetre dentro de dicho armario. Dentro del refrigerador se dispone de un panel de captación, que contiene en su interior un circuito hidráulico, por el que circula un líquido refrigerante o un gas licuado. Este líquido tiende a evaporarse captando o “robando” rápidamente el calor introducido junto con el alimento. Una vez captado el calor en el líquido o gas, éste pasa a un compresor que lo comprime, consiguiendo así que aumente de temperatura. Descripción de las instalaciones 25 Aumentada su temperatura en la compresión, se traspasa por circulación al panel o circuito exterior (parte trasera de los refrigeradores). El calor que transporta el líquido invadirá la ausencia de éste en el ambiente exterior, disipándolo fuera del refrigerador. Este mecanismo es lo que se denomina una bomba de calor, y con ella se ha conseguido extraer el calor del interior del frigorífico y se ha disipado en el exterior. Así pues, de una forma más general podemos definir una bomba de calor como un mecanismo que aprovecha las leyes de la termodinámica para mover el calor de forma ultra eficiente de un lugar a otro, en lugar de generarlo, como hace por ejemplo una caldera. Para lograrlo, convierte el líquido refrigerante que circula por su interior en gas de forma mecánica. El gas absorbe el calor de donde nosotros queremos extraerlo, y el compresor, que es el único proceso que consume electricidad, comprime el gas para pasarlo de nuevo al estado líquido, extrayendo el calor, que podemos aplicar después donde más nos interesa. Si se consigue aprovechar el frío en el evaporador (válvula de expansión) para enfriar un ambiente en verano, y el calor en el condensador (compresor) para calentar el mismo ambiente en invierno, se habrá conseguido alcanzar el concepto de climatización. Un aparato de aire acondicionado es una bomba de calor semejante a un frigorífico, pero que dispone de componentes adicionales que permiten enviar calor en cualquiera de los dos sentidos. Por lo tanto lo que hace es expulsar al aire de la calle el calor que hay en nuestra casa en verano, e introducir en invierno aire caliente. Pues bien, la bomba de calor geotérmica hace lo mismo que la máquina de aire acondicionado pero el lugar de intercambiar el calor con el aire de la calle, lo intercambia con el subsuelo, que mantiene una temperatura homogénea de 15°C a lo largo de todo el año. Descripción de las instalaciones 26 En el sistema de lazo cerrado, empleado en nuestro proyecto, circula una solución anticongelante, como fluido de transferencia, por las tuberías enterradas verticalmente. Figura 6. Bomba de calor geotérmica en modo refrigeración En verano el terreno es más frío que el aire con lo que las tuberías condensan el refrigerante a temperaturas más bajas, mientras que en invierno es al revés y las tuberías evaporan el refrigerante a temperaturas más altas. Figura 7. Bomba de calor geotérmica en modo calefacción Descripción de las instalaciones 27 Dependiendo de los fluidos de entrada y de salida, las bombas de calor geotérmica son básicamente:  Bombas de calor agua-agua: Utilizan como fuente de calor el de la tierra o el del agua freática, o de ríos, lagos, etc. y transfieren el calor a radiadores.  Bombas de calor agua-aire: Utilizan la misma fuente de calor anterior (tierra o agua freática o de ríos y lagos) y lo transfieren mediante aire en conductos situados en la vivienda o edificio. Este último tipo agua-aire es la que vamos a utilizar en nuestra vivienda. Las bombas de calor pueden tener una potencia de 2 kW hasta 27 kW, y sus capacidades de calefacción y refrigeración se expresan en kW (Europa). La instalación se puede conectar a suelo radiante, sistema de radiadores o a cualquier sistema de calefacción y refrigeración cuyo fluido de transmisión sea el agua. Nos encontramos pues con un aparato de gran eficiencia que puede obtener calor de la tierra que tenemos a nuestro alrededor utilizando una pequeña cantidad de energía eléctrica, que nos devuelve en forma de calor multiplicada por 4 o 5. Además no contamina ni perjudica al medio ambiente, y tiene un mantenimiento mínimo. Como inconveniente podríamos citar que tiene un coste inicial elevado, como unas 2,5 veces el de otros equipos, debido especialmente al coste realización de los pozos para las tuberías intercambiadoras. B. Sistema de tuberías La red de tuberías enterradas contiene un líquido anticongelante (por ejemplo propilenglicol) que es impulsado por una bomba. Como la temperatura del suelo es constante se produce una transferencia de calor en invierno o de frio en verano que mediante la bomba de calor se transfiere a la vivienda. Descripción de las instalaciones 28 El sistema de tuberías o colectores puede ser de cobre recubierto de polietileno reticulado (PER), y se implanta mediante excavación o perforación, según sea el tipo seleccionado (lazo abierto o lazo cerrado) que depende el terreno y sus características. Nosotros vamos a utilizar la instalación de lazo cerrado, por donde el fluido circula continuamente, en circuito cerrado, sin tener contacto alguno con la tierra que rodea el sistema. Podemos encontrar diferentes tipos de circuitos en lazo cerrado:  Horizontal. Los lazos de tubería se disponen en trincheras paralelas a una profundidad de 1 a 3 m, y en cada trinchera se puede disponer de 1 a 6 lazos. La longitud de las trincheras puede ser de 8,5 a 34 m por kW, dependiendo del terreno y del número de lazos. Es necesario ocupar entre 40 y 85 m2 de terreno por kW del sistema, dependiendo de la temperatura media y de las propiedades del terreno. Podemos observar entonces que es primordial tener una gran área de terreno disponible para la instalación de este sistema.  Espiral. Es igual a la horizontal, pero con la diferencia de que las tuberías están enrolladas en espiral, lazos circulares que se solapan y que pueden instalarse en vertical u horizontal.  Vertical. Los conductos se entierran mediante catas que pueden variar de 5 a 60 m de profundidad, dependiendo del espacio que se tenga, de la sequedad del terreno y de la cantidad de perforaciones que se realicen. Este sistema es el más adecuado cuando no hay mucho espacio disponible, ya que requiere de 4 a 8,5 m2 por kW del sistema.  Sumergido. La red está sumergida en un lago o un estanque.  Hibrido. Unión de uno de los sistemas anteriores con otro de calefacción o refrigeración. Descripción de las instalaciones 29 Para el buen funcionamiento del sistema, el fluido que circula por el lazo cerrado debe tener una protección anti hielo cuando su temperatura baja a menos de 4°C al salir del terreno y entrar en el edificio. Existen una gran variedad de soluciones anticongelantes para circuitos geotérmicas de bomba de calor (alcoholes, glicoles, sales), pero los más recomendados son el metanol y el propilenglicol. C. Sistemas de calefacción/refrigeración en viviendas. La calefacción y/o refrigeración de la vivienda con la bomba de calor geotérmica de baja temperatura, puede realizarse de tres formas: a) Por conductos de aire en las habitaciones En el modo calefacción, la bomba de calor agua-aire absorbe el calor del terreno y, a través de un intercambiador de calor, el refrigerante calienta el aire. Este es dirigido a través de conductos a las diferentes habitaciones en la misma forma que lo haría si la vivienda tuviera aire acondicionado. En el modo de refrigeración, el refrigerante absorbe calor del aire interior que circula por los conductos y a través del serpentín exterior del evaporador, libera calor al agua fría que circula por el tubo en U del pozo perforado en el terreno. Figura 8. Calefacción - refrigeración con bomba de calor agua-aire Descripción de las instalaciones 36 d) Seguridad y Cableado La instalación se completa con protecciones, cableado, toma de tierra y contadores. Se instala un cuadro eléctrico en el cual van ubicadas las protecciones e interruptores necesarios y el contador de energía. Además La instalación debe disponer de su propia toma de tierra. Los tramos de cableado deben cumplir el reglamento electrotécnico de baja tensión en ambos tramos, el de continua desde el campo al inversor, y el de alterna desde el inversor a la red. e) Seguidores solares Un tipo de instalación especial es la que no está fija sobre el suelo sino que gira siguiendo el movimiento del sol en el arco celeste, mediante un girasol mecánico denominado “seguidor solar”. Figura 13. Seguidor solar instalado en tejado. Descripción de las instalaciones 37 La gran ventaja de los seguidores solares consiste en que la radiación solar es siempre perpendicular a los módulos llegando a generar un 30% -35 % más de energía que la misma instalación sobre superficie fija. Los inconvenientes de los seguidores son el sobre coste, y el mantenimiento que debe ser realizado para evitar averías mecánicas. Con los seguidores solares se maximiza la inversión pero a costa de perder seguridad ya que los seguidores pueden dar al traste de toda la inversión, si no se consigue que aguanten 25 años perfectamente operativos. En resumen, más ingresos pero con más riesgos. 3.2.3. Marco legal [7] El marco legal en que se encuadran las instalaciones fotovoltaicas es el de los productores de energía eléctrica en régimen especial. La norma más importante en este campo es el Real Decreto 1565/2010, que sustituye al 1578/2008, por el que se regulan y modifican determinados aspectos relativos a la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial, y se establece la metodología para la actualización y sistematización del régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica. Este nuevo decreto establece modificaciones importantes respecto a los anteriores decretos 1578/2008 y 616/2007 que suponen un paso atrás en las expectativas de futuro de los empresarios fotovoltaicos en cuanto a la obtención de suculentos beneficios que tenían asegurados por las leyes anteriores.  Se reduce la tarifa fotovoltaica en un 5% (instalaciones de techo pequeño), 25% (instalaciones de techo medianas) y 45% (instalaciones de suelo).  Se aplica retroactividad suprimiendo el derecho a la percepción de prima equivalente para las instalaciones fotovoltaicas a los 25 años de vida útil. Descripción de las instalaciones 38 Junto a esta norma también es importante el Real Decreto 1663/2000, de 29 de septiembre, sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión, en el cual se establecen los requisitos técnicos de dichas conexiones. Con este marco jurídico el titular de una instalación fotovoltaica conectada a red, pasa a ser un productor de energía eléctrica en régimen especial. Factura a la compañía eléctrica, y está obligado a realizar las declaraciones trimestrales de IVA. No es necesario ni el alta en autónomos, ni seguridad social, ni impuesto de sociedades, ni Impuesto de actividades económicas. Para conseguir la conexión a red de la instalación fotovoltaica solo es necesario seguir unos trámites burocráticos, realizar una inversión inicial, y disponer unos avales. Se pueden consultar los trámites necesarios en el Anexo 4. Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 39 4.1. MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA VIVIENDA El edificio al que vamos aplicar el presente proyecto consiste en una vivienda unifamiliar tipo aislada construida en una parcela de 500 m2. Se encuentra situada en el término municipal de Ribarroja del Turia (Valencia), en una zona denominada Els Pous. La vivienda está emplazada dentro de la urbanización “Lliri Groc”, constituida por un total de 51 viviendas similares construidas en el año 2008. Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 4 Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 40 Figura 14. Situación de vivienda unifamiliar (fuente: google maps). La urbanización está enclavada en medio de la naturaleza, situada a 200 metros del rio Turia y el corredor natural denominado Parque Fluvial del Turia. Se pueden observar grandes desniveles del terreno en toda la zona. Entre las diferentes parcelas, e incluso dentro de una misma parcela. Figura 10. Emplazamiento de la vivienda. Urbanización “Lliri Groc”. Els Pous Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 41 Su distribución es la siguiente: Figura 15. Distribución de vivienda planta baja. Planta baja: Salón comedor, cocina, terraza descubierta, aseo, acceso integrado con salón comedor y escalera de acceso a planta primera. Figura 16. Distribución de vivienda planta primera. Planta primera: Tres dormitorios, dos dobles y uno principal de matrimonio, dos baños, uno de ellos integrado en el dormitorio principal y terraza descubierta ajardinada. Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 42 Sótano: La vivienda cuenta con un sótano al que se accede desde el exterior de la vivienda y que se utiliza como almacén y bodega. Figura 17. Distribución planta sótano. El cuadro de superficies de la vivienda es el siguiente: Tabla 1. Cuadro de superficies. Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 43 4.2. MEMORIA CONSTRUCTIVA DE LA VIVIENDA Describimos a continuación los elementos constructivos de la vivienda que afectan a la realización del presente proyecto.  Cimentación y estructura Cimentación formada por zapatas aisladas de hormigón armado. Y la estructura a base de pilares de hormigón armado, vigas y zunchos. La vivienda se ha construido sobre un forjado sanitario con canto de 30 cm. Apoyado sobre muros de bloque de hormigón. Figura 18. Cimentación y forjado. La cimentación y estructura está resuelta según el detalle (figura 10): 1. Terreno natural. 2. Hormigón de limpieza. 3. Riostra de hormigón armado. 4. Lámina impermeable de betún modificado lbm-40. 5. Barrera anti-humedad. 6. Zuncho de atado. 7. Rejilla de ventilación de forjado sanitario. 8. Vigueta auto resistente prefabricada de hormigón. Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 44  Cubiertas La vivienda dispone de dos tipos de cubiertas. Una del tipo plana transitable que coincide con las terrazas de los dormitorios de la planta primera, y otras del tipo ajardinadas no transitables que corresponden a la cubierta de la planta primera. Figura 19. Cubierta ajardinada La cubierta ajardinada está resuelta de la siguiente manera: 1. Capa vegetal e. Máximo= 30cm 2. Lamina geotextil 3. Lámina impermeable de betún modificado lbm-40 (1cm) estándar antipunzonamiento. 4. Hormigón celular para formación de pendientes (12 cm) 5. Forjado de hormigón armado y viguetas (30 cm) 6. Junta compresible de poliestireno expandido. E=5cm Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 45 La cubierta plana transitable está resuelta de la siguiente manera: Figura 20. Cubierta plana transitable. 1. Forjado de hormigón armado y viguetas (30 cm). 2. Hormigón celular para formación de pendientes (12 cm). 3. Lámina impermeable de betún modificado lbm-40 (1cm). 4. Aislamiento poliestireno extruido (5 cms). 5. Capa de regularización para colocación de pavimento (2cm). 6. Solado de gres para exteriores (2cm). Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 52 de materiales empleados), por lo que puede ser que no sean completamente exactos, aunque tratándose de instalaciones de pequeñas dimensiones no se produce una excesiva diferencia con los resultados obtenidos realizando cálculos más complejos. Tabla 3. Calculo de cargas de refrigeración en salón-comedor. Únicamente debemos introducir en la columna “Cantidad” los valores que se correspondan a la habitación de nuestra vivienda que queremos dimensionar. La tabla realiza la multiplicación por los factores correspondientes a la temperatura exterior dado como resultado las cargas térmicas producidas por cada apartado. La suma de los diferentes apartados dará como resultado la carga total de refrigeración necesaria en esa estancia. La suma de los resultados obtenidos en las diferentes estancias nos da como resultado la carga total de refrigeración necesaria en la vivienda. Los resultados se expresan en frigorías/hora y W. (1 frigoría/h = 1,157 W) 1Suelo m² 549 2Volumen de la habitación m³ 559 m² 590 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 0 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 115 5Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 519 6Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores m² 512 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 186 techo con espacio sin acondicionar arriba m² 549 8Tejado o techo sin aislamiento m² 0 (Usar solo uno ) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 0 Tejado sin aislamiento m² 0 9Personas 555 Incandescentes y equipos w 80 Fluorescentes w 98 4311 w SALÓN - COMEDOR Cantidad Factor Grados de diseño exterior 32 35 38 Zona sur 41 43 115 120 135 150 165 260 6 8 13 19 25 5 285 300 315 330 345 210 220 230 240 205 30 40 55 70 85 155 165 175 190 57 17 25 37 45 55 30 36 45 50 11 14 techo 22 27 35 25 6 8 13 19 25 8 11 17 21 36,47 96,70 3,78 510 0 72 120 10Luces y equipos eléctricos en uso 0,86 1,0625 4,00 80,00 80,00 46 53 59 66 40 45 8 8 11 443 161 474 0 0 99 448 474 484 0 Frigorias/h W Carga de refrigeración total O NO ó SE S ó E SO Zona norte Centro 85 3726 1,80 9,96 11,96 9,46 36,47 0 0 480 69 Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 53 A continuación se muestra un resumen de las cargas de refrigeración resultantes del cálculo de toda la vivienda. Habitación Frigorías Watios Salón - comedor 3726 4311 Cocina 2405 2783 Dormitorio ppal. 2216 2564 Dormitorio 1 1502 1735 Dormitorio 2 1381 1597 TOTAL 11.230 12.990 Tabla 4. Resumen de cargas de refrigeración total de la vivienda. Obtenemos como resultado que la potencia necesaria para refrigerar la vivienda debe ser de 13 kW. C. NECESIDADES DE CALEFACCION Para determinar las cargas térmicas de calefacción hemos utilizado una hoja de cálculo similar a la utilizada en para obtener las cargas de refrigeración. Se tienen en cuenta los parámetros relativos a superficie, volumen, ventanas y paredes expuestas, personas y elementos eléctricos que pueden afectar al ambiente. El método de actuación es idéntico al del cálculo de refrigeración. Las diferentes columnas de factores se corresponden con los determinados para diferente zonas climáticas con temperaturas mínimas comprendidas entre los -6 y 6°C. Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 54 Consultamos nuevamente los datos históricos de temperaturas de los últimos 25 años tomados por la estación meteorológica del aeropuerto de Manises y obtenemos como resultado que la media de las temperaturas mínimas absolutas en los meses de invierno es inferior a 1°C. Tomamos por lo tanto como buenos para nuestro cálculo los factores de la columna correspondiente a 0°C (resaltada en verde). A continuación podemos ver cómo se realiza el cálculo de la carga de calefacción necesaria en el salón. Tabla 5. Calculo de cargas de calefacción en salón-comedor. En este caso se puede observar como los puntos 9 y 10 producen resultados que se restan a los anteriores. Esto se debe a que tanto las personas, como las luces y otros equipos eléctricos aportan calor al ambiente, es decir, están produciendo unas 1Suelo m² 549 2Volumen de la habitación m³ 559 m² 590 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 0 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 115 5Pared mas desfavorable (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 519 6Todas las exteriores paredes no incluidas en el punto 5 m² 512 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 186 m² 549 sin aislamiento m² 0 8Tejado o techo (usar solo uno) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 0 Tejado sin aislamiento m² 0 0 9Personas -555 Incandescentes y equipos w-80 Fluorescentes w-98 2845 W Carga de calefaccion total 2459 Kcal/h W 4,00 NE N O ó SE NO ó E Zona norte Zona sur techo con espacio sin acondicionar arriba techo GANANCIAS TERMICAS Centro 8 53 59 66 -85 1,80 10Luces y equipos eléctricos en uso 0 -480 120 40 45 99 448 9,46 36,47 0 9,96 11,96 22 27 510 0 72 -69 443 161 474 0 0 0 474 484 36,47 96,70 3,78 220 230 150 165 0,86 1,0625 80,00 80 46 17 8 11 11 14 35 45 25 6 8 13 19 25 8 11 175 21 57 17 25 37 45 55 30 36 50 205 30 40 55 70 85 155 190 165 260 285 300 315 330 345 210 6 8 13 19 25 240 5 115 120 135 Salón - Comedor Cantidad Factor Grados de diseño exterior -6 -3 0 3 6 Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 55 ganancias térmicas, por lo que se tienen en cuenta con símbolo negativo respecto a las anteriores. A continuación se muestra un resumen de las cargas de calefacción resultantes del cálculo de toda la vivienda. El cálculo del resto de habitaciones puede consultarse en el anexo 2 de este proyecto. Habitación Kcalorias/h Watios Salón - comedor 2459 2845 Cocina 1867 2161 Dormitorio ppal. 1650 1909 Dormitorio 1 936 1083 Dormitorio 2 815 943 TOTAL 7.727 8.940 Tabla 6. Calculo de cargas de calefacción en salón-comedor. Después de realizar los cálculos para todas las estancias de la vivienda hemos obtenido como resultado que es necesaria una potencia de calefacción de 9 kW 4.2.2. Electricidad No vamos a calcular la demanda de energía eléctrica necesaria diariamente en la vivienda, ya que la misión de la instalación solar fotovoltaica no será de abastecer a la vivienda, sino de producir electricidad suficiente para al menos equiparar el gasto eléctrico, es decir, producir la misma cantidad o más de energía que la necesaria para el gasto habitual de la vivienda. De esta manera conseguiremos por una parte devolver a la red al menos la misma cantidad de electricidad que hemos consumido y que se ha creado con energías renovables de forma limpia y sin perjudicar al medio ambiente, y por otra parte obtener un beneficio económico. Descripción de la vivienda y cálculo de la demanda energética 56 Asique nuestro propósito será diseñar una instalación solar fotovoltaica ocupando como máximo la superficie total de la cubierta de la vivienda. Deberemos tener en cuenta que actualmente hay instalado, y en funcionamiento, un captador solar térmico en una de las cubiertas, y que suministra agua caliente a la vivienda. Por lo tanto habrá que evitar causarle sombras o cualquier otra modificación que altere su funcionamiento una vez instalada nuestra central fotovoltaica. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 57 5.1. INSTALACIÓN GEOTÉRMICA Una vez hemos hecho el cálculo de la demanda energética de la vivienda necesaria para climatización tenemos que dimensionar y elegir los elementos que formaran la instalación geotérmica. A continuación vamos a realizar el estudio y dimensionamiento de los diferentes elementos que formaran la instalación de climatización. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 5 Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 58 5.1.1. Sistema de captación La función de un intercambiador de calor subterráneo es servir de vía de conexión entre el terreno, que es la fuente o el pozo de calor (en modo calefacción o en modo refrigeración), y el intercambio de calor con el refrigerante de la misma. En nuestro caso hemos elegido la disposición de los captadores en lazo cerrado vertical, ya que realizado el cálculo para su disposición de forma horizontal, contando con la disposición de las trinchera excavadas y la separación entre estas, nos da como resultado que necesitaríamos una superficie de 59 m2 por kW de calefacción a obtener. Con lo cual para la necesidad de calefacción de nuestra vivienda, 9 kW, sería necesaria una superficie de terreno de: 9 kW x 59 m2/kW = 531 m2 La superficie de terreno que disponemos para utilizar en nuestra parcela, además de la vivienda y las zonas de acceso, es de 220 m2 que se utiliza como jardín (figura 5). Por tanto nos vemos obligados a la utilización del sistema vertical mediante la perforación de pozos. Este sistema tiene una clara desventaja, y es el coste de las perforaciones de los pozos necesarios, que suelen ser entre 50 y 100 m, si los comparamos con la realización de trincheras a 2 metros de profundidad necesarias para el sistema horizontal. Sin embargo tiene también algunas ventajas respecto a los sistemas horizontales. La principal es que necesita menos extensión de terreno, también requiere una longitud menor de tubería y no le afectan las oscilaciones estacionales de temperatura del suelo. La longitud de los captadores, y por tanto de la perforación vertical a realizar, depende de dos factores, de la potencia necesaria de climatización y la conductividad térmica del terreno. Nuestro sistema de captación geotérmica se dimensiona para garantizar el 100% de la demanda de calefacción y refrigeración de la vivienda. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 59 Las potencias demandadas para el captador geotérmico son de 9 kW de calefacción y 13 kW de refrigeración. Para el cálculo de la longitud del intercambiador, realizaremos los cálculos necesarios utilizando la potencia de calefacción, es decir, 9kW. Para determinar el tipo de terreno en la zona de nuestra vivienda consultamos el estudio geológico realizado por la promotora antes del comienzo del proyecto. Se ha realizado un informe geotécnico por la empresa GIA S.L. con fecha de Septiembre de 2004. “El área en estudio geológicamente se localiza en la Hoja a escala 1:50.000 del IGME nº695 Llíria (Valencia). La zona en estudio se emplaza en la ribera del río Turia, sobre una zona de depósitos cuaternarios de origen aluvial (Q2T4) procedente del río Turia y constituida por arenas y gravas con carácter compacto.” El informe establece que el terreno está formado por gravas y arenas. Con este dato consultamos en la tabla 4 las propiedades de este tipo de suelo. Propiedades de varios tipos de suelo Tipo de suelo Conductividad W/m °C Difusibilidad m2/s Densidad Kg/m3 Capacidad calorífica kJ/kg °C Flojo húmedo (arena suelta, lodo 0,9 0,000000516 1600 1,05 Flojo, seco (arena suelta, lodo) 0,3 0,000000284 1400 0,84 Denso, húmedo (Caliza, arena, grava compactada, barro) 1,3 0,000000645 2100 0,96 Denso, seco (Caliza, arena, grava compactada, barro) 0,9 0,000000516 2000 0,84 Roca ligera (caliza) 2,4 0,00000103 2800 0,84 Roca pesada (granito) 3,5 0,00000129 3200 0,84 Escarcha ligera 1.4 0,0000011 1580 0,76 Escarcha densa 2 0,00000137 2070 0,69 Tabla 7. Propiedades de varios tipos de suelos (fuente: RETscreen International). Así obtenemos el dato de la conductividad térmica de nuestro terreno: 1,3 W/m °C. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 60 La norma VDI 4640 indica la relación entre la conductividad térmica del terreno y la extracción de calor que puede esperarse de ese terreno. Figura 23. Propiedades de varios tipos de suelos (fuente: RETscreen International). La figura 23 nos muestra una gráfica realizada para una vivienda con una demanda de calefacción de 10 kW. Si hacemos una comparación con la vivienda de nuestro estudio e introducimos en la gráfica la conductividad térmica de nuestro terreno, 1,3 W/m °C, obtenemos como resultado que se pueden extraer 34 w/metro. Considerando la proporción correspondiente entre los 10 kW (10000 W) de la figura y los 9 kW (9000 W) de demanda de nuestra vivienda resulta: x = 238,20 m  Tomaremos el valor de 240 m Esta es la profundidad necesaria del pozo y por tanto la longitud de los intercambiadores. Para reducir la distancia podemos introducir 2 tubos en U en el pozo con lo que aumentamos el doble la longitud de captación y por tanto podemos reducir la profundidad del pozo a la mitad: 120 m. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 61 Sin embargo, sigue siendo una profundidad excesiva, y que puede aumentar el coste de la perforación, y por tanto de la instalación. Por ello buscamos otra solución que nos disminuya la profundidad de perforación y por tanto nos mantenga estable nuestro presupuesto. La solución consiste en realizar dos pozos en lugar de uno. Siguiendo el mismo esquema de diseño, introduciendo en ellos dos tubos en U. La profundidad de estos se ve reducida 60 m. Los pozos tendrán un diámetro de entre 150 200 mm. Antes de su realización debemos asegurarnos de que en el subsuelo no existan tuberías de gas, agua, o cualquier tipo de conducción. Figura 24. Situación de las perforaciones de los pozos. El lugar de las perforaciones debe quedar claramente reflejado en un plano una vez termine la instalación por si en un futuro fuera necesario realizar algún trabajo de reparación o mantenimiento, en los propios captadores o en los alrededores, poder localizar su posición fácilmente. Se realizaran dos perforaciones de 60 metros de profundidad, con un diámetro mínimo de 150 mm para facilitar la correcta introducción de las sondas. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 68 En la tabla 2.2 se consideran tres casos: general, superposición de módulos e integración arquitectónica. Se considera que existe integración arquitectónica cuando los módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica y además sustituyen elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la composición arquitectónica. Se considera que existe superposición arquitectónica cuando la colocación de los captadores se realiza paralela a la envolvente del edificio, no aceptándose en este concepto la disposición horizontal con el fin de favorecer la autolimpieza de los módulos. En nuestro caso elegimos el caso general que nos limita tanto las perdidas por orientación e inclinación como las perdidas por sombra a un 10 %, y la combinación entre ambas no mayor del 15 %. Colocaremos nuestra instalación siguiendo la dirección de los ejes principales de la vivienda. La inclinación de los módulos será de 30 °, un valor muy aproximado al que nos recomienda la aplicación de cálculo. Gráficamente podemos ver que el ángulo azimut de nuestra instalación es de -45°. (Azimut es el ángulo de diferencia que tiene el eje principal de la instalación respecto al eje Sur). Figura 30. Determinación de ángulo azimut Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 69 Comprobaremos ahora si las pérdidas por orientación e inclinación están dentro de los límites que nos indica el CTE (10 %). Para ello utilizaremos las dos formas que nos muestra el CTE, gráfica y analítica.  Comprobación gráfica Comprobamos el rango de inclinación para la latitud C=41° (que es el de la figura de referencia en el CTEDBE HE5) y unas perdidas máximas del 10% para nuestra orientación α= -45°. Figura 31. Calculo grafico de pérdidas por inclinación y orientación. Para ello trazamos una la línea por el ángulo azimut -45° hasta cortar en dos puntos la superficie con la trama correspondiente a perdidas max del 10 %. Esos dos puntos de corte nos dan el rango de ángulos de inclinación de los módulos que nos permiten no superar esas pérdidas. En nuestro caso los resultados obtenidos son: βmax= 65° y βmin= 7° PERDIDAS MAX DEL 10% Inclinación máx y min del modulo Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 70 Estos serían valores referenciados a la latitud de la figura del CTE, por lo tanto tenemos que realizar la corrección de los datos utilizando las siguientes formulas: Inclinación máxima = inclinación – (41º - latitud) Inclinación mínima = inclinación – (41º-latitud) ; siendo 5º su valor mínimo Y Obtenemos los siguientes resultados: βmax= 42° - (41°-39,40°) = 40,40° βmax= 7° - (41°-39,40°) = 5,40° Luego una inclinación de 30° seria valida y no tendría unas pérdidas superiores al 10%.  Comprobación analítica En casos cerca del límite y como instrumento de verificación, se utilizará la siguiente fórmula: Pérdidas (%) = 100 ⋅ [ 1,2·10−4 ·(β − φ + 10)2 + 3,5·10−5 α2 ] Pérdidas (%) = 100 ⋅ [ 1,2·10−4 ·(30 – 39.40 + 10)2 + 3,5·10−5 (-45)2 ] = 7,45 % < 10 % Φ = Latitud de nuestra instalación = 39,40° Β = Inclinación de nuestra instalación = 30° α = Azimut = - 45° Obtenemos como resultado para una inclinación de 30° de los módulos fotovoltaicos que las pérdidas son menores del 10 %. El siguiente paso sería calcular el porcentaje de sombras PS mediante el método previsto para ello en apartado 3.4 de la HE5 del CTE. Sin embargo no realizaremos este cálculo, ya que sirve para obtener el porcentaje de sombras que ocasionarían obstáculos cercanos, como podrían ser edificios en los alrededores. Nuestro edificio es una vivienda unifamiliar aislada de dos alturas que no tiene alrededor ningún obstáculo que la supere en altura. Por lo tanto determinaremos que el porcentaje de sombras será 0,00 %. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 71 Una vez hechas estas comprobaciones volvemos de nuevo a la aplicación informática y continuamos introduciendo los datos solicitados. Introducimos ahora el ángulo de azimut y de inclinación de los módulos solares, y el porcentaje de sombras PS que hemos obtenido anteriormente. Parámetro Símbolo Unidad Valor Inclinación óptima en función del periodo de diseño bopt Grados 29,48 Ángulo de Azimut (ángulo respecto al eje Sur) ar Grados -45 Ángulo de inclinación respecto a la horizontal del módulo solar (0 a 90º) br Grados 30 Factor de Irradiación FI - 0,929 Porcentaje de radiación incidente en el plano, ya orientado e inclinado - % 92,91 Porcentaje de pérdidas de radiación por orientación e inclinación POI % 7,09 Porcentaje de sombras según metodología de cálculo PS % 0,00 Factor de sombras FS - 1,000 Total pérdidas orientación e inclinación + pérdidas por sombras POI+PS % 7,09 Tabla 12. Calculo de radiación solar. Y nos aparecen los valores relativos al factor de irradiación Fl, factor de sombras FS, perdidas por orientación e inclinación POI (calculado anteriormente), así como la combinación de estas últimas y las perdidas por sombras PS (POI + PS). También aparece el ángulo de inclinación óptimo en función de la latitud de la ubicación de la instalación. C. Datos relativos al sistema En este apartado seleccionaremos el modulo solar de una lista que trae la aplicación o sino podríamos introducir otros modelos. Seleccionamos uno de los que están establecidos, modelo NT 6000 de la marca SUNWAYS, y nos aparecen todas sus características técnicas. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 72 Modulo solar CONERGY C 175M Potencia nominal PMAX Wp 175 Tolerancia Tol % 5 Tensión nominal en el punto máxima potencia VMPP V 35,4 Tensión máxima en circuito abierto VOC V 44,4 Corriente nominal en el punto de máxima potencia IMPP A 5,400 Corriente de cortocircuito ISC A 5,4 Tonc TONC ºC 45 Tabla 13. Características técnicas del módulo solar. El siguiente elemento a seleccionar seria el inversor de corriente, y como hemos hecho con los módulos, seleccionamos uno ya preestablecido. INVERSOR SUNWAYS NT 6000 Potencia nominal PNOM W 4.600 Potencia máxima CC en campo solar PCC MAX W 6.250 Potencia mínima CC en campo solar PCC MIN W 2.300 Tensión máxima CC en operación en el campo solar VCC MAX V 650 Tensión mínima CC en operación en el campo solar VCC MIN V 350 Tensión de conexión CC en el campo solar VCON CC V 410 Tensión de desconexión CC en el campo solar VDESCON CC V 340 Tensión máxima en circuito abierto CC en el campo solar VOC MAX V 750 Intensidad máxima CC en operación en el campo solar ICC MAX A 15 Rendimiento máximo U MAX % 97 Tabla 14. Características técnicas del inversor eléctrico. Una vez hemos elegido el modulo fotovoltaico y el inversor falta determinar: ‐ El número de módulos que formara cada rama fotovoltaica. ‐ El número de ramas en paralelo que se pueden conectar a cada inversor. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 73 Esta asociación de ramas fotovoltaicas e inversor se denomina grupo, por lo que finalmente se ha de determinar el número de grupos iguales al definido anteriormente. DETERMINACION DE LOS GRUPOS Número de módulos en serie - Uds 16 Tensión por rama en punto de máxima potencia VMPP MAX R V 566 Tensión en circuito abierto de la rama VOC MAX R V 710 Corriente por rama en el punto de máxima potencia IMPP MAX R A 5,40 Corriente de cortocircuito por rama ICC MAX A 5,4 Potencia por rama Psolar rama Kwp 2,800 Número de ramas en paralelo - Uds 2 Potencia del campo solar para cada inversor PSOLAR /INV Kwp 5,600 Potencia nominal inversor/Potencia de las ramas conectadas al mismo - % 82,14 Corriente máxima de entrada al inversor I MAX INV A 10,800 Número de grupos. (Conjunto inversor y ramas como los proyectados) - Uds 1 Potencia total instalada en campo solar (Suma de la instalada por grupo) PSOLAR ICR Kwp 5,600 Potencia nominal de instalación (Suma de potencia nominal inversores) PNOM ICR Kw 4,600 Tabla 15. Determinación de los grupos. D. Perdidas Por último se introducen los valores de porcentaje de pérdidas. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS Parámetro Símbolo Unidad Valor Pérdidas por dispersión en módulos A1 % 5 Pérdidas por presencia de polvo y suciedad sobre módulos solares A2 % 1,00 Pérdidas por reflectancia angular y espectral en los módulos solares A3 % 1,00 Total pérdidas en el generador A % 7 Pérdidas en el cableado DC B 0 1 Pérdidas en el cableado AC C 0 1 Pérdidas por disponibilidad D 0 1,000 Pérdidas por rendimiento del inversor E - 0,970 Pérdidas en seguimiento del PMP F 0 1,000 Tabla 16. Calculo de las perdidas Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 74 E. Resultados Una vez introducidos todos los datos aparecen los resultados aparecen los datos referente a la producción energética y la prima económica por producción de energía eléctrica en cada uno de los meses del año. Pero antes tenemos que seleccionar el régimen económico al que pertenece nuestra instalación para determinar el precio de venta del kW de energía eléctrica producido. En nuestro caso elegiremos el tipo I.1, perteneciente a “instalaciones ubicadas en cubiertas o fachadas de construcciones fijas, cerradas, hechas de materiales resistentes, dedicadas a uso residencial…….. y con una potencia inferior a 20 kW”. El kw producido por este tipo de instalaciones tiene fijado su precio de venta actual (Junio 2011) por el R.D.1565/2010 en 0,288821 €. Mes Gdm(0) K Gdm(ar,br) PR Ep 1 Kwp Ep' 1 Kwp Ep ICR Ep' ICR Prima Uds Kwh/(m2 día) - Kwh/(m2 día) % Kwh/día Kwh/mes Kwh/día Kwh/mes Euros/mes Enero 2,59 1,33 3,21 87,22 2,80 86,668 15,66 485,34 140,18 € Febrero 3,00 1,25 3,48 86,48 3,01 84,377 16,88 472,51 136,47 € Marzo 3,85 1,16 4,15 84,34 3,50 108,449 19,59 607,31 175,40 € Abril 5,13 1,07 5,10 84,53 4,31 129,296 24,14 724,06 209,12 € Mayo 6,02 1,00 5,60 82,05 4,59 142,349 25,71 797,15 230,23 € Junio 6,07 0,97 5,47 80,33 4,39 131,836 24,61 738,28 213,23 € Julio 6,41 1,00 5,95 79,97 4,76 147,599 26,66 826,55 238,73 € Agosto 6,68 1,08 6,70 80,56 5,40 167,277 30,22 936,75 270,55 € Septiembre 4,45 1,19 4,92 82,18 4,05 121,386 22,66 679,76 196,33 € Octubre 3,12 1,33 3,85 84,51 3,26 100,911 18,23 565,10 163,21 € Noviembre 2,09 1,41 2,74 86,28 2,37 70,986 13,25 397,52 114,81 € Diciembre 1,84 1,40 2,39 87,35 2,09 64,711 11,69 362,38 104,66 € Total 7.592,74 2.192,94 Tabla 17. Resultados productivos y económicos de la instalación fotovoltaica. Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 75 A continuación reflejamos los datos de obtenidos del cálculo en una gráfica. Figura32. Producción eléctrica anual de la instalación fotovoltaica. Observamos cómo se alcanzan las cotas máximas de producción en los meses de verano, cuando hay más horas de sol y este incide de forma más perpendicular. Podemos realizar un pequeño resumen de cómo ha quedado compuesta nuestra instalación fotovoltaica.  Dos ramas compuestas por 16 módulos fotovoltaicos modelo 175M de CONERGY, con una potencia nominal de 175 w por modulo.  Un inversor modelo NT6000 de la marca SUNWAYS, que puede recibir una potencia máxima de 6.250 w  La potencia total instalada es de 5.600 kWp Figura 33. Esquema de la instalación fotovoltaica. 0 200 400 600 800 1.000 Enero Marzo Mayo Julio Septiembre Noviembre Producción energética (Kwh) Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 76 5.2.2. Integración en el edificio En principio estaba prevista la colocación de los módulos solares en filas paralelas dispuestas sobre la cubierta, sin embargo es posible que las filas se produzcan sombra entre ellas en función de la posición del sol y la posición y distancia entre estos. Por este motivo es necesario realizar los cálculos de comprobación de distancias mínimas entre filas, según la inclinación y orientación de los módulos. Figura 34. Distancias mínimas entre módulos. Para calcular los valores necesarios utilizaremos las siguientes formulas: h = a ⋅ sen (β ) h = 0.80 ⋅ sen (30° ) = 0.40 m Según el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red: “La distancia d1, media sobre la horizontal, entre unas filas de módulos obstáculo, de altura h, que pueda producir sombras sobre la instalación deberá garantizar un mínimo de 4 horas de sol en torno al mediodía del solsticio de invierno”. Esta distancia d1 será superior al valor obtenido por la expresión: d1 = = = 1.00 m Propuesta de instalación geotérmica y solar fotovoltaica 77 Por lo tanto la disposición en filas de los módulos seria de la siguiente manera: Figura 35. Esquema instalación módulos en filas. Dispuestos de esta forma los módulos solares ocuparían demasiado sitio en las cubiertas: Figura 36. Disposición de módulos en filas. Viabilidad de las instalaciones 84 En la siguiente gráfica podemos observar como se producen los consumos de gas más pronunciados en los meses de invierno, mientras que descienden a niveles minimos en la época de verano. Figura 41. Consumo de gas en 2010 Obtenemos el coste medio del kW obtenido con mediante gas: 0.061215 € Del mismo modo obtenemos también el coste medio del kW eléctrico a partir de una factura eléctrica (tabla 4): 0.201407 € Viabilidad de las instalaciones 85 Tabla 21. Factura de electricidad La bomba de calor que hemos proyectado instalar tiene un COP (coeficiente de eficiencia energética) de 3,6, por lo tanto: El sistema consumirá 2,5 kW para generar los 9 kW de calefacción, produciendo, por lo tanto, un ahorro de 9 – 2,5 = 6,5 kW. Siendo 17.469,18 los kWs de gas consumidos, los kWs eléctricos gastados anualmente para hacer funcionar la bomba de calor son: 4.852,55 kW cuyo coste anual es de 4.852,55 kW x 0,201407 € = 977,34 €/año Luego el ahorro anual correspondiente en calefacción será: 1.068,37€ (consumo gas) – 977,34 € (electricidad bomba calor) = 91,03 € Concepto Potencia kW Factor Euros Potencia contratada (2 meses x 1,752399) 5,75 3,504798 20,15 Consumo kWh 455 0,140069 53,73 Subtotal 73,88 Impuesto sobre electricidad (4,864% subtotal x 1,05113) 3,78 Base 77,66 IVA (18% Base) 13,98 Total factura 91,64 0,2014077 € Precio medio kW/h (total factura/consumo) Viabilidad de las instalaciones 86 B) Refrigeración: Actualmente la vivienda no dispone de ningún tipo de instalación de refrigeración, por lo que para realizar nuestro estudio vamos a suponer una instalación convencional de aire acondicionado formado por una bomba de calor aire-aire que distribuye el frio a través de conductos. La bomba de calor de la instalación supuesta es la marca Mitsubishi Electric, modelo de la serie PEHD, con una potencia de refrigeración de 12,5 kW y un EER (coeficiente eficiencia energética) de 2,5. El sistema consumirá 5 kW para generar los 12,5 kW El gasto de energía eléctrica, durante el periodo estival Junio – Septiembre, producido por la bomba de calor convencional será el siguiente: 5kW/h x 8 h/día x 30 días x 4 meses = 4.800 kW 4.800 kW x 0,201407 €/kW = 966,75 € Realizamos el mismo cálculo con la bomba de calor geotérmica de la marca ECONAR, modelo EV 470/471, con una potencia de refrigeración de 14 kW, y un ERR de 4,2. El sistema consumirá 3,09 kW para generar los 13 kW necesarios para refrigerar la vivienda. El gasto de energía eléctrica durante el mismo periodo de verano producido por la bomba de calor geotérmica será el siguiente: 3,09 kW/h x 8 h/día x 30 días x 4 meses = 2.966,40 kW 2.966,40 kW x 0,201407 €/kW = 597,45 € Viabilidad de las instalaciones 87 El ahorro total anual de energía eléctrica en la producción de refrigeración del sistema geotérmica respecto al convencional será pues: Ahorro eléctrico total = 966,75 € – 597,45 € = 369,30 € C) Totales: El ahorro energético por año, por gasto de gas y electricidad, será: Ahorro total anual = Ahorro en calefacción + Ahorro en climatización Total = 91,03 € + 369,30 € = 460,33 € 6.1.3. Análisis económico de la instalación. A partir de los datos obtenidos en vamos a construir la simulación del estado económico de la inversión, su evolución futura y el periodo de amortización, que nos permitirá tener una visión sobre la viabilidad del proyecto en cuanto a su, TIR (tasa interior de retorno) y Retorno de la inversión (Pay – Back). AÑO lnv. Inicial 1 5 10 15 20 Ingreso (ahorro gas y electricidad) 460,40 603,49 846,43 1.187,16 1.665,05 Ahorro en mantenimiento (1% inversión) 150,46 182,89 233,42 297,91 380,22 Inversión -15046,45 Flujo de caja -15046,45 610,86 786,38 1.079,85 1.485,07 2.045,27 Pay-back -15046,45 -14435,58 -11567,40 -6.792,83 -230,24 8.803,13 TIR -34,05% -20,84% -3,00% 2,00% (Tasa Interna de Retorno) Tabla 22. Previsión económica de la instalación en 20 años Viabilidad de las instalaciones 88 Trasladamos los datos obtenidos una gráfica y obtenemos una visión más clara de la evolución de la inversión en el tiempo. Podemos observar que el retorno de la inversión no se produce de una manera lineal en el tiempo, sino que con el paso del tiempo vamos recuperando una mayor cantidad de dinero en el mismo periodo de tiempo debido principalmente a la previsión de aumento de precio del gas y la electricidad en los próximos años. Figura 42. Amortización de la instalación Geotérmica Sera a partir de los 15 años cuando hayamos recuperado la inversión inicial de 15.046,45 € realizada en la instalación del sistema de climatización geotérmico. 6.1.4. Ahorro de emisiones de CO2. Las bombas de calor geotérmicas reúnen características positivas para el medio ambiente. Sus efectos beneficiosos, en términos de reducción de CO2, son indiscutibles Viabilidad de las instalaciones 89 cuando se comparan con otras posibilidades de calefacción y de refrigeración de edificios residenciales y comerciales. Esa circunstancia, unida a un menor consumo de energía eléctrica, es el motivo por el que los organismos públicos en un gran número de países desarrollados apoyan e incentivan la instalación de bombas de calor acopladas al terreno como forma de reducir la dependencia energética de los combustibles fósiles. Por último, es interesante verificar el ahorro de emisiones de CO2. Este ahorro de emisiones se traduce en un ahorro económico en el momento en que se pone un precio al derecho de emisión. Desde el año 2005 se ha establecido un mercado financiero donde se compran y venden derechos de emisión. Estos derechos representan la posibilidad de emitir una tonelada de CO2 a la atmosfera. Su precio oscila actualmente alrededor de los 17 €. (Datos de Marzo del 2011). Por lo tanto es muy importante en todo tipo de instalaciones energéticas modernas calculas las nuevas emisiones de CO2, ya que todo ahorro de tipo medioambiental supone un ahorro económico importantísimo. Para el cálculo de los derechos de emisión consumidos de tiene en cuenta la siguiente expresión: Dónde: tCO2 = DA (kWh) ∙ FE ∙ tCO2 = Toneladas de dióxido de carbono emitidas DA = Datos de la actividad. Representa la diferencia del consumo de electricidad de un sistema convencional de un sistema geotérmico. FE = Factor de emisión. Kg de CO2 emitidas por cada kWh. Viabilidad de las instalaciones 90 Las emisiones de CO2 geotérmicas dependerán fundamentalmente del COP de la instalación y del FE medio del sistema eléctrico en el que nos encontramos, ya que la energía primaria utilizada por la instalación geotérmica es energía eléctrica. De esta forma, será necesario utilizar un factor de emisión medio para el sector eléctrico español, que será el siguiente: FE medio ELECTRICIDAD = 0,501 FE medio GAS = 0,563 El ahorro del consumo, y las emisiones de CO2 será: INSTALACIÓN AHORRO ANUAL (KW) FACTOR EMISION CO2 EMISIONES CO2 (kgCO2 ) Calefacción 12.616,63 0,563 7.109,16 Refrigeración 1.833,60 0,501 918,63 TOTAL: 14.450,23 8.027,79 Tabla 23. Ahorro de consumo y emisiones de CO2 La instalación geotérmica produce un ahorro anual de 8,02 tCO2. Este ahorro de emisiones se traduce en el siguiente ahorro económico a favor de la instalación geotérmica: Ahorro CO2 = 8,02 tCO2 x 17 €/ tCO2 = 136,34 €/año Este ahorro económico en de la geotermia supone un extra de beneficio anual, lo cual mejora ligeramente los cálculos económicos. Este ahorro adicional influye Viabilidad de las instalaciones 91 favorablemente en el conjunto del país y supondría una mejora en la amortización de la inversión si repercutiese en los usuarios de la instalación. 6.2. INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA 6.2.1. Presupuesto de la instalación fotovoltaica. Después de realizar un estudio de mercado sobre venta de componentes fotovoltaicos en la red, hemos encontrado el presupuesto más adecuado en relación calidad-precio, con productos de dos marcas importantes del sector fotovoltaico como son CONERGY y SUNWAYS. El presupuesto obtenido para la instalación fotovoltaica es el siguiente: Tabla 24. Presupuesto instalación fotovoltaica COMPONENTE CANTIDAD PRECIO UNITARIO (EUROS) COSTE (EUROS) Modulo fotovoltaico CONERGY 175M serie PH 32 678,50 € 21.712,00 € Inversor electrico de conexión a red SUNWAYS NT6000 11.615,00 € 1.615,00 € Sistema CONERGY de estructura metalica de acero galvanizado para montaje de modulos fotovoltaicos. 32 38,20 € 1.222,40 € Cableado y protecciones del sistema. CONERGY 1240,00 € 240,00 € SUMA PARCIAL (MATERIALES) 24.789,40 € Instalación 1,00 2.500,00 € 2.500,00 € 2.500,00 € 27.289,40 Pts 4.912,09 € TOTAL CON IVA 32.201,49 € TOTAL IVA (18%) Viabilidad de las instalaciones 92 Actualmente la implantación de instalaciones fotovoltaicas no recibe ningún tipo de ayuda o subvenciones de forma directa, ya que el beneficio se obtiene a partir de que esta comienza a producir energía y se vende el kW de electricidad a un precio superior al de mercado. Actualmente el kW producido por nuestra instalación se vendería a un precio de 28,8821 c€/kWh según la tarifa calculada en aplicación de lo dispuesto en la Disposición adicional cuarta del Real Decreto 1565/2010, de 19 de noviembre para instalaciones fotovoltaicas Tipo I (sobre tejado <20 kW). 6.2.2. Comparativa de la energía eléctrica consumida - producida Vamos a realizar un estudio para comprobar si con la instalación proyectada podemos producir al menos la misma cantidad de electricidad que se consume en la vivienda. En la tabla 25 podemos apreciar el consumo eléctrico de la vivienda durante el periodo Enero – Diciembre de 2010. Los datos han sido obtenidos de la facturación mensual de la compañía eléctrica, en este caso IBERDROLA. MES CONSUMO (kW) Enero 466 Febrero 430 Marzo 454 Abril 356 Mayo 399 Junio 443 Julio 388 Agosto 338 Septiembre 396 Octubre 467 Noviembre 524 Diciembre 586 TOTAL: 5.247 kW Tabla 25. Consumo eléctrico de la vivienda en 2010 Viabilidad de las instalaciones 93 En la tabla 26, se muestra la producción estimada que tendrá nuestra instalación fotovoltaica en el periodo de un año. MES PRODUCCION (kW) Enero 485 Febrero 473 Marzo 607 Abril 724 Mayo 797 Junio 738 Julio 827 Agosto 937 Septiembre 680 Octubre 565 Noviembre 398 Diciembre 362 TOTAL: 7.593 kW Tabla 26. Producción anual estimada de la inst. Fotovoltaica. Si trasladamos los datos a una gráfica podremos observar visualmente y analizar con más claridad los resultados obtenidos. Figura 43. Consumo y producción de energía eléctrica 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Consumo Produccion Conclusiones 100 convencionales. En nuestro caso asciende a 27.357,18 €. Esto es debido principalmente a la necesidad de realizar excavación o, como es nuestro caso, perforación para disponer los captadores geotérmicos. Esto encarece el coste total de la instalación, ya que comparado con una instalación convencional por ejemplo de bomba de calor aire-aire, la cual tendría un coste de 7.391,52 €, y solo sería necesaria la instalación de las máquinas (unidad exterior e interior), que también tiene un precio inferior al de la geotérmica. Esta inversión inicial se ve reducida gracias a la existencia de subvenciones que premian la implantación de instalaciones que utilizan energías alternativas, y que en nuestro caso alcanza el 45% de la inversión, 12.310,73 €. Con lo cual deberíamos realizar un desembolso inicial de 15.046,45 €.  La instalación geotérmica tiene un consumo muy inferior de energía (4.852,55 kW) si lo comparamos con una instalación de calefacción a gas natural. Sin embargo en términos económicos esta diferencia tan grande desaparece y queda reducida un pequeño ahorro (91,03 €). Esto es debido a la gran diferencia de precio que hay entre la electricidad y el gas natural (0,0483 € el kW de gas y 0,2014 € el kW de electricidad).  Comparada con un sistema de refrigeración de aire acondicionado formado por bomba de calor convencional (aire-aire) podemos observar que se produce un ahorro del sistema geotérmico en cuanto al consumo energético, 2.966,40 kW frente a los 4800 kW de la instalación convencional. Económicamente el ahorro resultante es de la misma proporción, siendo de 369,30 €, ya que el tipo energía que utilizan las dos instalaciones es la misma, electricidad.  La instalación geotérmica produce menos CO2 a la atmosfera a lo largo de un año (calefacción y refrigeración) que la suma de las dos instalaciones convencionales (calefacción a gas natural y bomba de calor aire-aire). 3.917 t. frente a los 12.239,94 t. de las convencionales, que tiene un valor tan elevado por el uso de gas natural. Conclusiones 101 Podemos afirmar pues que la instalación de climatización geotérmica supera a las convencionales en cuanto a menor consumo energético, menor gasto energético, y menor contaminación del medio ambiente. La instalación solar fotovoltaica ha sido diseñada para ofrecer una potencia total cercana a los 6 kW y obtener del sol al menos la misma cantidad de energía eléctrica consumida por la vivienda y devolverla a la red obteniendo por ello un beneficio económico gracias a la prima que ofrece el estado por cada kW introducido en la red. Al igual que la instalación geotérmica, la central fotovoltaica supone una inversión inicial elevada, pero esta nos reporta beneficios a partir de su puesta en marcha, tanto económicos como para el medioambiente, ya que vendemos cada kw producido a un precio muy superior al de la energía eléctrica consumida y además no produce ninguna emisión de CO2 a la atmosfera. Según el estudio realizado la instalación fotovoltaica proyectada producirá anualmente 7.593 kW de electricidad, una cantidad superior a los 5.247 kW consumidos por la vivienda en el año 2010. En el grafico mostrado a continuación podemos se refleja mensualmente la diferencia entre la energía eléctrica consumida por la vivienda y la que según los cálculos producirá nuestra instalación fotovoltaica. Figura 46. Consumo y producción de energía eléctrica 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Consumo Produccion Conclusiones 102 A partir de los datos mostrados en la gráfica podemos obtener las siguientes conclusiones.  La producción de electricidad de la instalación es superior al consumo de la vivienda en todos los meses del año excepto en Noviembre y Diciembre.  Las líneas de producción y consumo avanzan enfrentadas a lo largo de los meses, de forma que los cambios de tendencia en una y otra coinciden exactamente pero de forma opuesta. El punto máximo de producción, en el mes de Agosto, coincide con el punto mínimo de consumo, así como el punto máximo de consumo, en el mes de Diciembre, coincide con el mínimo de producción. En lo referente a la recuperación de las inversiones realizadas en las diferentes instalaciones, una vez realizado las simulaciones hemos obtenido resultados similares que podemos observar en la figura 47. Para la instalación de climatización geotérmica la inversión inicial sería de 15.046,45 €, y una vez en funcionamiento se amortizaría a partir de los 15 años. En cuanto a la instalación solar fotovoltaica el resultado es similar, ya que para una inversión inicial de 32.200 €, el periodo de retorno seria también de 15 años. Amortizacion instalación geotermica Amortizacion instalación solar fotovoltaica Figura 47. Amortización de las instalaciones Conclusiones 103 Si se realizaran las dos instalaciones, el periodo de retorno común, para una inversión inicial de 47.246,45 €, sería igualmente de 15 años, tal y como refleja la figura 48. Figura 48. Amortización de instalaciones conjunta. El TIR de la inversión queda reflejado en la siguiente tabla. PERIODO 5 AÑOS 10 AÑOS 15 AÑOS 20 AÑOS TIR -29,64% -9,65% -0,84% 2,82% Tabla 28. Tasa interior de retorno de la inversión conjunta. Por lo tanto, después de realizar este estudio queda claro que con la instalación de sistemas que utiliza energías renovables, obtenemos ahorro en cuanto al consumo energético, lo que nos reporta también ahorro económico, y además disminuimos las emisiones de CO2 a la atmosfera. Hoy en día las instalaciones que funcionan con energías renovables son viables gracias a las ayudas estatales, bien subvencionando parte de la instalación o primando el precio de la energía producida. -50.000 € -40.000 € -30.000 € -20.000 € -10.000 € 0 € 10.000 € 20.000 € 30.000 € 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Años Amortizacion Conclusiones 104 Sin embargo el objetivo que se pretende conseguir es que este tipo de instalaciones sean factibles sin necesidad de ningún tipo de ayudas en pocos años. En cuanto a mis conclusiones personales, la realización de este Proyecto Final de Grado ha supuesto un gran reto. No solo por la dificultad que puede plantear el desarrollo de un Proyecto, que significa el cierre de mis estudios universitarios, y que desde el comienzo de tu carrera tienes en mente que debes realizar algún día, aunque prefieres dejarlo ahí aparcado, sin pensar mucho en ello, hasta que llega el día, y te debes enfrentar a él. Además hay que unir el hecho de afrontar un proyecto en el que, en mi caso, tengo que diseñar, calcular y estudiar algo tan técnico como es una instalación de climatización geotérmica y una instalación solar fotovoltaica, algo más propio de un ingeniero que de alguien que se prepara para gestionar la construcción de edificios. Sin embargo, debo decir que una vez comienzas a trabajar y conectas con tu proyecto, todo se va resolviendo y lo que parecía muy difícil se va afrontando gracias al estudio, investigación y búsqueda de bibliografía y otros proyectos donde apoyarte y encontrar soluciones, además de contar con la ayuda de nuestros tutores de proyecto, que nos guían y dirigen para llegar al objetivo. Por lo tanto puedo afirmar que la realización del presente proyecto ha sido una experiencia muy positiva para mí y que pienso me ayudara en el futuro a afrontar nuevos retos. Documentación 105 BIBLIOGRAFIA [1.] “Manual de Geotermia”. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) e Instituto Geológico y Minero de España (IGME). 2008. [2.] “Energía geotérmica de baja temperatura”. Antonio Creus Solé. CEYSA. 2008. [3.] “Energía solar fotovoltaica”. Javier María Méndez Muñiz. Rafael Cuervo García. FUNDACIÓN CONFEDERAL. 2009. [4.] “Sistemas fotovoltaicos”. Miguel Alonso Abella. S.A.P.T. PUBLICACIONES TECNICAS S.L. 2005. [5.] “Compendio de energía Solar”. José María Fernández Salgado. AMV EDICIONES. 2010. [6.] “Guía de la energía solar”. Comunidad de Madrid. 2006 [7.] “Guía técnica de diseño de sistemas de bomba de calor geotérmica”. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA). 2010. [8.] “Código Técnico de la Edificación”. Ministerio de vivienda. 2006. [9.] “Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red”. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA). 2002. SITIOS WEB  Soliclima Energía Solar www.soliclima.com (Abril 2011)  Boletín Oficial del Estado www.boe.es (Mayo 2011)  Información energías renovables www.jumanjisolar.com (Abril 2011) Documentación 106  Agencia Estatal de Meteorología www.aemet.es (Mayo 2011)  Ansoltec Energías Renovables www.ansoltec.com (Mayo 2011)  Bombas de calor Geotérmicas www.econar.com (Mayo 2011)  Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía www.idae.es (Marzo 2011)  Equipos de energías renovables www.conergy.es (Mayo 2011)  Agencia Valenciana de la Energía www.avent.es (Abril 2011)  Equipos de aire acondicionado www.mitsubishielectric.es (Mayo 2011)  Empresa de Instalaciones Geotérmicas www.girodgeotermia.com (Abril 2011) Anexos 107 Anexos Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 108 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 109 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 116 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 117 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 118 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 119 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 120 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 121 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 122 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 123 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 124 Anexo 1 – Documentación gráfica de la vivienda 125 Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 132 Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 133 1. INSTALACIÓN DE CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICA El cálculo de las necesidades térmicas de la vivienda se realiza teniendo en cuenta las condiciones interiores de confort que recomienda el RITE. Son las siguientes. PARAMETROS LIMITE Temperatura operativa en verano (°C) 23 ≤ T ≤ 25 Humedad relativa en verano (%) 45 ≤ T ≤ 60 Temperatura operativa en invierno (°C) 21 ≤ T ≤ 23 Humedad relativa en invierno (%) 40 ≤ T ≤ 50 Velocidad admisible con difusión por mezcla (m/s) V ≤ 0.14 Tabla 2. Exigencia de calidad ambiental. RITE IT 1.1.4.1 A continuación se muestran las tablas de cálculo de cargas térmicas de refrigeración y calefacción realizadas para las diferentes estancias de la vivienda. A. Necesidades de refrigeración Tabla 3. Calculo de cargas de refrigeración en salón-comedor. 1Suelo m² 549 2Volumen de la habitación m³ 559 m² 590 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 0 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 115 5Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 519 6Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores m² 512 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 186 techo con espacio sin acondicionar arriba m² 549 8Tejado o techo sin aislamiento m² 0 (Usar solo uno ) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 0 Tejado sin aislamiento m² 0 9Personas 555 Incandescentes y equipos w 80 Fluorescentes w 98 4311 w Frigorias/h W Carga de refrigeración total O NO ó SE S ó E SO Zona norte Centro 85 3726 1,80 9,96 11,96 9,46 36,47 0 0 480 69 443 161 474 0 0 99 448 474 484 0 36,47 96,70 3,78 510 0 72 120 10Luces y equipos eléctricos en uso 0,86 1,0625 4,00 80,00 80,00 46 53 59 66 40 45 8 8 11 11 14 techo 22 27 35 25 6 8 13 19 25 8 11 17 21 57 17 25 37 45 55 30 36 45 50 205 30 40 55 70 85 155 165 175 190 285 300 315 330 345 210 220 230 240 115 120 135 150 165 260 6 8 13 19 25 5 SALÓN - COMEDOR Cantidad Factor Grados de diseño exterior 32 35 38 Zona sur 41 43 Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 134 Tabla 29. Calculo de cargas de refrigeración en cocina. Tabla 30. Calculo de cargas de refrigeración en dormitorio principal. 1Suelo m² 185 2Volumen de la habitación m³ 170 m² 525 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 0 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 98 5Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 394 6Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores m² 670 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 0 techo con espacio sin acondicionar arriba m² 185 8Tejado o techo sin aislamiento m² 0 (Usar solo uno ) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 0 Tejado sin aislamiento m² 0 9Personas 417 Incandescentes y equipos w 80 Fluorescentes w 61 2783 w Carga de refrigeración total 2405 0 3,00 120 360 10Luces y equipos eléctricos en uso 80,00 0,86 69 50,00 1,0625 46 53 59 66 72 53 8 8 11 11 14 0 160 techo 22 27 35 40 45 0 12,27 6 8 13 19 25 579 8 11 17 21 25 0 15,64 17 25 37 45 55 85 7,56 30 36 45 50 57 340 1,54 30 40 55 70 85 345 0 NO ó SE 155 165 175 190 205 0 O 285 300 315 330 S ó E 3,36 115 120 135 150 165 454 SO 210 220 230 240 260 0 12,27 6 8 13 19 25 160 29,44 5 147 COCINA Cantidad Factor Frigorias/h W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur 32 35 38 41 43 1Suelo m² 174 2Volumen de la habitación m³ 174 m² 0 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 680 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 0 5Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 189 6Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores m² 704 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 168 techo con espacio sin acondicionar arriba m² 0 8Tejado o techo sin aislamiento m² 0 (Usar solo uno ) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 147 Tejado sin aislamiento m² 0 9Personas 278 Incandescentes y equipos w 50 Fluorescentes w 0 2564 w Carga de refrigeración total 2216 0 2,00 120 240 10Luces y equipos eléctricos en uso 50,00 0,86 43 1,0625 46 53 59 66 72 0 8 8 11 11 14 127 0 techo 22 27 35 40 45 0 11,55 6 8 13 19 25 609 8,56 8 11 17 21 25 146 16,45 17 25 37 45 55 0 3,63 30 36 45 50 57 163 30 40 55 70 85 345 0 NO ó SE 3,36 155 165 175 190 205 588 O 285 300 315 330 S ó E 115 120 135 150 165 0 SO 210 220 230 240 260 0 11,55 6 8 13 19 25 150 30,00 5 150 DORMITORIO PPAL Cantidad Factor Frigorias/h W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur 32 35 38 41 43 Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 135 Tabla 31. Calculo de cargas de refrigeración en dormitorio 1. Tabla 32. Calculo de cargas de refrigeración en dormitorio 2. 1Suelo m² 138 2Volumen de la habitación m³ 138 m² 0 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 680 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 0 5Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 141 6Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores m² 145 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 53 techo con espacio sin acondicionar arriba m² 0 8Tejado o techo sin aislamiento m² 0 (Usar solo uno ) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 116 Tejado sin aislamiento m² 0 9Personas 278 Incandescentes y equipos w 50 Fluorescentes w 0 1738 w Carga de refrigeración total 1502 0 2 120 240 10Luces y equipos eléctricos en uso 50 0,86 43 1,0625 46 53 59 66 72 0 8 8 11 11 14 101 0 techo 22 27 35 40 45 0 9,15 6 8 13 19 25 125 2,70 8 11 17 21 25 46 3,39 17 25 37 45 55 0 2,70 30 36 45 50 57 122 30 40 55 70 85 345 0 NO ó SE 3,36 155 165 175 190 205 588 O 285 300 315 330 S ó E 115 120 135 150 165 0 SO 210 220 230 240 260 0 9,15 6 8 13 19 25 119 23,79 5 119 DORMITORIO 1 Cantidad Factor Frigorias/h W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur 32 35 38 41 43 1Suelo m² 139 2Volumen de la habitación m³ 139 m² 0 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 680 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 0 5Pared expuesta al sol (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 141 6Todas las paredes no incluidas en el punto 5 exteriores m² 0 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 53 techo con espacio sin acondicionar arriba m² 0 8Tejado o techo sin aislamiento m² 0 (Usar solo uno ) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 118 Tejado sin aislamiento m² 0 9Personas 278 Incandescentes y equipos w 50 Fluorescentes w 0 1597 w Carga de refrigeración total 1381 0 2 120 240 10Luces y equipos eléctricos en uso 50 0,86 43 1,0625 46 53 59 66 72 0 8 8 11 11 14 102 0 techo 22 27 35 40 45 0 9,25 6 8 13 19 25 0 2,70 8 11 17 21 25 46 17 25 37 45 55 0 2,70 30 36 45 50 57 122 30 40 55 70 85 345 0 NO ó SE 3,36 155 165 175 190 205 588 O 285 300 315 330 S ó E 115 120 135 150 165 0 SO 210 220 230 240 260 0 9,25 6 8 13 19 25 120 24,05 5 120 DORMITORIO 2 Cantidad Factor Frigorias/h W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur 32 35 38 41 43 Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 136 La carga total de refrigeración necesaria para toda la vivienda será la suma de los resultados obtenidos en cada habitación. Habitación Frigorías Watios Salón - comedor 3726 4311 Cocina 2405 2783 Dormitorio ppal. 2216 2564 Dormitorio 1 1502 1735 Dormitorio 2 1381 1597 TOTAL 11.230 12.990 Tabla 4. Resumen de cargas de refrigeración total de la vivienda. Obtenemos como resultado que la potencia necesaria para refrigerar la vivienda debe ser de 13 kW. B. Necesidades de calefacción Tabla 5. Calculo de cargas de calefacción en salón-comedor. 1Suelo m² 549 2Volumen de la habitación m³ 559 m² 590 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 0 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 115 5Pared mas desfavorable (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 519 6Todas las exteriores paredes no incluidas en el punto 5 m² 512 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 186 m² 549 sin aislamiento m² 0 8Tejado o techo (usar solo uno) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 0 Tejado sin aislamiento m² 0 0 9Personas -555 Incandescentes y equipos w-80 Fluorescentes w-98 2845 W Salón - Comedor Cantidad Factor Grados de diseño exterior -6 -3 0 3 6 6 8 13 19 25 240 5 115 120 135 260 285 300 315 330 345 210 50 205 30 40 55 70 85 155 190 165 175 21 57 17 25 37 45 55 30 36 45 25 6 8 13 19 25 8 11 17 8 11 11 14 35 0,86 1,0625 80,00 80 46 474 484 36,47 96,70 3,78 220 230 150 165 510 0 72 -69 443 161 474 0 0 0 99 448 9,46 36,47 0 9,96 11,96 22 27 -85 1,80 10Luces y equipos eléctricos en uso 0 -480 120 40 45 Zona norte Zona sur techo con espacio sin acondicionar arriba techo GANANCIAS TERMICAS Centro 8 53 59 66 Carga de calefaccion total 2459 Kcal/h W 4,00 NE N O ó SE NO ó E Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 137 Tabla 33. Calculo de cargas de calefacción en cocina. Tabla 34. Calculo de cargas de calefacción en dormitorio principal. 1Suelo m² 185 2Volumen de la habitación m³ 170 m² 525 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 0 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 98 5Pared mas desfavorable (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 394 6Todas las exteriores paredes no incluidas en el punto 5 m² 670 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 0 m² 180 sin aislamiento m² 497 8Tejado o techo (usar solo uno) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 0 Tejado sin aislamiento m² 0 0 9Personas -417 Incandescentes y equipos w-80 Fluorescentes w-61 2161 W 3,00 Cocina Cantidad Factor Kcal/h 12,27 6 8 W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur -6 -3 0 3 6 13 19 25 160 29,44 5 147 NO ó E 3,36 115 120 135 150 165 454 NE 210 220 230 240 260 0 190 205 0 N 285 300 315 330 55 70 85 345 0 O ó SE 155 165 175 85 7,56 30 36 45 50 57 1,54 30 40 15,64 17 25 37 45 55 8 11 17 21 25 340 579 0 techo con espacio sin acondicionar arriba 12,00 6 8 13 19 25 156 techo 12,27 22 27 35 40 45 429 8 8 11 11 14 0 0,86 -69 50 46 53 59 66 72 1,0625 -53 Carga de calefaccion total 1867 0 GANANCIAS TERMICAS 120 -360 10Luces y equipos eléctricos en uso 80,00 1Suelo m² 174 2Volumen de la habitación m³ 174 m² 0 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 680 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 0 5Pared mas desfavorable (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 189 6Todas las exteriores paredes no incluidas en el punto 5 m² 704 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 168 m² 0 sin aislamiento m² 0 8Tejado o techo (usar solo uno) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 147 Tejado sin aislamiento m² 0 0 9Personas -278 Incandescentes y equipos w-50 Fluorescentes w0 1909 W 2,00 Dormitorio ppal Cantidad Factor Kcal/h 11,55 6 8 W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur -6 -3 0 3 6 13 19 25 150 30,00 5 150 NO ó E 115 120 135 150 165 0 NE 210 220 230 240 260 0 190 205 588 N 285 300 315 330 55 70 85 345 0 O ó SE 3,36 155 165 175 0 3,63 30 36 45 50 57 30 40 16,45 17 25 37 45 55 8 11 17 21 25 163 609 146 techo con espacio sin acondicionar arriba 6 8 13 19 25 0 8,56 techo 22 27 35 40 45 0 11,55 8 8 11 11 14 127 0,86 -43 46 53 59 66 72 1,0625 0 Carga de calefaccion total 1650 0 GANANCIAS TERMICAS 120 -240 10Luces y equipos eléctricos en uso 50,00 Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 138 Tabla 35. Calculo de cargas de calefacción en dormitorio 1. Tabla 36. Calculo de cargas de calefacción en dormitorio 2. 1Suelo m² 138 2Volumen de la habitación m³ 138 m² 0 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 680 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 0 5Pared mas desfavorable (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 141 6Todas las exteriores paredes no incluidas en el punto 5 m² 145 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 53 m² 0 sin aislamiento m² 0 8Tejado o techo (usar solo uno) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 116 Tejado sin aislamiento m² 0 0 9Personas -278 Incandescentes y equipos w-50 Fluorescentes w0 1083 W 2,00 Dormitorio 1 Cantidad Factor Kcal/h 9,15 6 8 W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur -6 -3 0 3 6 13 19 25 119 23,79 5 119 NO ó E 115 120 135 150 165 0 NE 210 220 230 240 260 0 190 205 588 N 285 300 315 330 55 70 85 345 0 O ó SE 3,36 155 165 175 0 2,70 30 36 45 50 57 30 40 3,39 17 25 37 45 55 8 11 17 21 25 122 125 46 techo con espacio sin acondicionar arriba 6 8 13 19 25 0 2,70 techo 22 27 35 40 45 0 9,15 8 8 11 11 14 101 0,86 -43 46 53 59 66 72 1,0625 0 Carga de calefaccion total 936 0 GANANCIAS TERMICAS 120 -240 10Luces y equipos eléctricos en uso 50,00 1Suelo m² 139 2Volumen de la habitación m³ 139 m² 0 3Ventanas expuestas al sol (usar solo las de una pared, m² 0 la que de el mayor resultado) m² 0 m² 680 4Todas las ventanas no incluidas en el punto 3 m² 0 5Pared mas desfavorable (usar solo la pared usada en el punto 3) m² 141 6Todas las exteriores paredes no incluidas en el punto 5 m² 0 7Tabiques (todas las paredes interiores adyacentes a espacios sin acondicionar) m² 53 m² 0 sin aislamiento m² 0 8Tejado o techo (usar solo uno) 50mm(2")ó mas de aslamiento m² 118 Tejado sin aislamiento m² 0 0 9Personas -278 Incandescentes y equipos w-50 Fluorescentes w0 943 W 2,00 Dormitorio 2 Cantidad Factor Kcal/h 9,25 6 8 W Grados de diseño exterior Zona norte Centro Zona sur -6 -3 0 3 6 13 19 25 120 24,05 5 120 NO ó E 115 120 135 150 165 0 NE 210 220 230 240 260 0 190 205 588 N 285 300 315 330 55 70 85 345 0 O ó SE 3,36 155 165 175 0 2,70 30 36 45 50 57 30 40 17 25 37 45 55 8 11 17 21 25 122 0 46 techo con espacio sin acondicionar arriba 6 8 13 19 25 0 2,70 techo 22 27 35 40 45 0 9,25 8 8 11 11 14 102 0,86 -43 46 53 59 66 72 1,0625 0 Carga de calefaccion total 815 0 GANANCIAS TERMICAS 120 -240 10Luces y equipos eléctricos en uso 50,00 Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 139 La carga total de refrigeración necesaria para toda la vivienda será la suma de los resultados obtenidos en cada habitación. Habitación Kcalorias/h Watios Salón - comedor 2459 2845 Cocina 1867 2161 Dormitorio ppal. 1650 1909 Dormitorio 1 936 1083 Dormitorio 2 815 943 TOTAL 7.727 8.940 Tabla 6. Calculo de cargas de calefacción en salón-comedor. Después de realizar los cálculos para todas las estancias de la vivienda hemos obtenido como resultado que es necesaria una potencia de calefacción de 9 kW Anexo 2 – Calculo de cargas térmicas 140 Anexo 3 – Cálculos económicos 141 Anexo 3 – Cálculos económicos