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Proyecto Fin de Carrera Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno Ingeniería Técnica Industrial Especialidad Mecánica Diciembre 2012 Alumno: Alejandro Sesma Baquedano. Directoras: Belén Zalba Nonay ; Ana Lázaro Fernández. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno ii RESUMEN La bomba de calor acoplada al terreno o bomba de calor geotérmica es simplemente una bomba de calor que intercambia energía térmica en forma de calor con el terreno. A pesar de ser una tecnología ampliamente difundida en la mayoría de países del Norte de Europa y América, en España todavía es algo emergente. El presente proyecto fin de carrera se ha realizado por petición de una asociación de dos empresas de Zaragoza, Geoscan y Dolmen Ingeniería, que están tratando de implementar en su campo de trabajo las instalaciones de bombas de calor acopladas al terreno. La principal preocupación que surge es la disminución o aumento de la temperatura del terreno con el paso del tiempo debido a que no se extrae/inyecta la misma cantidad de energía térmica que se inyecta/extrae, y las consecuencias que esto conlleva. Aparte de estudiar este fenómeno, como proyecto fin de carrera se han propuesto otros objetivos: analizar la incertidumbre de los test de respuesta térmica, la metodología de diseño de los intercambiadores de calor acoplados al terreno y la idoneidad de sus parámetros, el software actual identificando fortalezas y debilidades, los métodos de aproximación del rendimiento medio estacional y el valor mínimo para cumplir la normativa europea y la situación en Zaragoza, ciudad pionera en España en bombas de calor acopladas al terreno mediante captación hídrica del acuífero urbano. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno iii AGRADECIMIENTOS En primer lugar me gustaría dar las gracias a las directoras de este proyecto, Ana Lázaro Fernández y Belén Zalba Nonay, por ofrecerme la posibilidad de realizarlo y permitirme tener un primer contacto con una empresa de ingeniería. También por su ayuda, implicación y consejos. A las empresas GEOSCAN y DOLMEN INGENIERÍA, en especial a Alberto Hernández, por resolverme dudas y facilitarme información. A mis padres y mi hermana por estar siempre a mi lado. A Mary Paz por su paciencia, comprensión y apoyo siempre que lo he necesitado. Finalmente a mis compañeros y amigos de la universidad por hacerme más fácil y agradable el transcurso de estos años. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno iv LISTA DE FIGURAS Figura 1 Esquema de funcionamiento de la bomba de calor acoplada al terreno 1 Figura 2 Ciclo esquemático de un sistema GSHP en modo refrigeración y en modo 2 calefacción Figura 3 Desarrollo del mercado de las bombas de calor geotérmicas en Europa. 3 Figura 4 Esquema de los diferentes tipos de GSHP 7 Figura 5 Intercambiador de calor abierto 8 Figura 6 Disposición horizontal del intercambiador de calor enterrado 9 Figura 7 Disposición vertical del intercambiador de calor enterrado 9 Figura 8 Configuración simple y configuración doble en GHE horizontal 10 Figura 9 Configuración en serie para GHE horizontal 10 Figura 10 Configuración en paralelo para GHE horizontal 10 Figura 11 Configuración slinky 11 Figura 12 Configuración vertical en simple U y configuración coaxial 12 Figura 13 Tubos en U-simple 12 Figura 14 Tubos en U-doble 12 Figura 15 Configuración en serie para GHE vertical 13 Figura 16 Configuración en paralelo para GHE vertical 13 Figura 17 Variación mensual de la temperatura en distintos medios 20 Figura 18 Evolución anual de la temperatura a distintas profundidades 20 Figura 19 Ejemplo de temperatura ambiente para climas secos 22 Figura 20 Evolución de la temperatura del terreno con la profundidad, curva de embudo 23 Figura 21 Configuración de un TRT 25 Figura 22 Modelo de conducción de calor alrededor de una línea infinita 27 Figura 23 Errores en los TRT, Excel 35 Figura 24 Disposición de los pozos para un TRT en la misma instalación 38 Figura 25 Esquema global de refrigeración 49 Figura 26 Balance en el intercambiador enterrado 50 Figura 27 Esquema global de calefacción 52 Figura 28 Balance en el intercambiador enterrado 53 Figura 29 Configuración de los pozos empleada en la simulación de M.Zamora 56 Figura 30 Configuración de los pozos en la simulación de M.Zamora 58 Figura 31 Configuración de los pozos empleada en la simulación de M.Zamora 59 Figura 32 Efecto de la radiación solar en verano 60 Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno v Figura 33 Energía renovable en régimen de calefacción 62 Figura 34 Modelo en 3D de la simulación de Yan Shang 72 Figura 35 Esquema del sistema GCHP-colectores solares con almacenamiento térmico 82 solar estacionario Figura 36 Vivienda unifamiliar con colectores solares y GCHP 85 Figura 37 Esquema de un sistema hibrido GCHP – torre de refrigeración 86 Figura 38 Esquema sistema GCHP – almacenamiento térmico 87 Figura 39 Logo Dolmen Ingeniería 97 Figura 40 Logo Geoscan 97 Figura 41 Logo Soluciones Geotérmicas 98 Figura 42 Propiedades térmicas del terreno a introducir, EED 101 Figura 43 Base de datos EED, entrada propiedades del suelo 102 Figura 44 Ejemplo de configuración en doble L, EED 102 Figura 45 Datos a introducir del pozo e intercambiador de calor, EED 103 Figura 46 Material de relleno a introducir, EED 104 Figura 47 Carga base a introducir, EED 105 Figura 48 Cargas pico a introducir, EED 106 Figura 49 Período de simulación a introducir, EED 106 Figura 50 Datos de costes a introducir, EED 107 Figura 51 Resultados EED evolución temperaturas del último año de simulación 107 Figura 52 Resultados EED temperatura máxima/mínima del fluido caloportador 108 anualmente Figura 53 Ejemplo de bomba de calor seleccionada por GEO2 109 Figura 54 Configuraciones de los intercambiadores en GEO2 110 Figura 55 Ejemplo de soluciones mostradas por GEO2 111 Figura 56 Resultados en GEO2 112 Figura 57 Errores en los resultados de GEO2 113 Figura 58 Configuración vertical en GLD 114 Figura 59 Creador de configuraciones en GLD 115 Figura 60 Tubo en U vertical en GLD 116 Figura 61 Configuraciones horizontales en GLD 117 Figura 62 Cargas térmicas zonales en GLD 118 Figura 63 Características de una bomba de calor en GLD 119 Figura 64 Consumo final bruto de energía en 2010 128 Figura 65 Aprovechamientos geotérmicos con bomba de calor en Zaragoza 130 Figura 66 Pozos que aprovechan el acuífero urbano de Zaragoza 131 Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno vi LISTA DE TABLAS Tabla 1 Países con más unidades de bombas de calor geotérmicas y más potencia 4 instalada en Europa Tabla 2 Objetivos del proyecto fin de carrera 5 Tabla 3 Comparativa entre tubos en U simple y en U doble 13 Tabla 4 Conductividad y capacidad térmica de algunos tipos de roca 18 Tabla 5 Conductividad y difusividad térmica para distintos tipos de suelo 19 Tabla 6 Errores típicos en distintos tipos de caudalímetros 29 Tabla 7 Errores típicos en sondas termométricas PT100 30 Tabla 8 Máximo error en las propiedades del fluido para MPG (35%) y MEG (35%) 30 Tabla 9 Resultados del TRT para distintos pozos en una misma instalación 39 Tabla 10 Simulación en GEO2 para analizar la profundidad de los pozos con el cambio 40 de la conductividad térmica Tabla 11 Empresas españolas que realizan TRT 43 Tabla 12 Propiedades físicas de los fluidos caloportadores 46 Tabla 13 Materiales de relleno 55 Tabla 14 Resumen de la sensibilidad del COP variando los parámetros de diseño 60 Tabla 15 Rendimiento medio estacional mínimo para cumplir la directiva europea 65 Tabla 16 Datos del estudio realizado por Yong Wang 70 Tabla 17 Tiempo de recuperación a 45 metros para distintos terrenos 74 Tabla 18 Tiempo de recuperación a 45 metros para distintas porosidades 76 Tabla 19 Tiempo de recuperación a 45 metros para distintas difusividades térmicas 77 Tabla 20 Tiempo de recuperación a 45 metros para distintas velocidades del viento 77 Tabla 21 Tiempo de recuperación a 45 metros para distinta radiación solar 78 Tabla 22 Tiempo de recuperación a 45 metros para distinta temperatura exterior 79 Tabla 23 Parámetros de gran influencia en la respuesta del terreno 80 Tabla 24 Parámetros de leve influencia en la respuesta del terreno 80 Tabla 25 Idoneidad de los sistemas híbridos 88 Tabla 26 Empresas en el ámbito de la geotermia en España 90-96 Tabla 27 Comparación de software 120 Tabla 28 Desarrollo histórico del modelo del foco lineal 124 Tabla 29 Indicadores de eficiencia del proyecto GAIA-D 127 Tabla 30 Objetivos del PER en el sector de la calefacción y refrigeración 128 Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno vii Tabla 31 Captación y vertido de los pozos que aprovechan el acuífero urbano de 132-133 Zaragoza Tabla 32 Climatización y temperaturas de de los pozos que aprovechan el acuífero 134-135 urbano de Zaragoza Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno viii LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1 Evolución de las temperaturas a la entrada y salida del pozo en un TRT 25 Gráfica 2 Análisis de datos secuencial 38 Gráfica 3 Variación de la longitud de perforación total en GHE vertical debido al cambio 41 de λ Gráfica 4 Variación del coste de perforación total en GHE vertical debido al cambio de λ 41 Gráfica 5 Evolución del COP con la distancia entre pozos 57 Gráfica 6 Evolución del EER con la distancia entre pozos 57 Gráfica 7 COP para distintas configuraciones de los pozos 58 Gráfica 8 EER para distintas configuraciones de los pozos 58 Gráfica 9 Evolución del COP con la profundidad del pozo 59 Gráfica 10 Evolución del EER con la profundidad del pozo 59 Gráfica 11 Evolución de η en los últimos años 64 Gráfica 12 Evolución del SPF mínimo en los últimos años 64 Gráfica 13 Evolución del HSPF y CSPF cuando hay desequilibrio en el balance térmico 69 del terreno Gráfica 14 Incremento de la temperatura semanal del terreno en diferentes modos de 71 operación Gráfica 15 Incremento de la temperatura anual del terreno en diferentes modos de 72 operación Gráfica 16 Tiempo de recuperación vs profundidad para distintos terrenos 74 Gráfica 17 Tiempo de recuperación vs profundidad para distintas porosidades 75 Gráfica 18 Tiempo de recuperación vs profundidad para distintos rellenos 76 Gráfica 19 Tiempo de recuperación vs profundidad para distintas velocidades del viento 77 Gráfica 20 Tiempo de recuperación vs profundidad para distinta radiación solar 78 Gráfica 21 Tiempo de recuperación vs profundidad para distinta temperatura exterior 79 Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 1 1. Introducción. Por su principio de funcionamiento, la bomba de calor acoplada al terreno es simplemente una bomba de calor que intercambia energía térmica en forma de calor con el terreno. Esto posibilita una menor demanda de energía primaria por parte del compresor debido a que en muchos momentos el suelo posee condiciones de temperatura más favorables que el aire. Por otro lado implica una gestión energética más compleja que en el caso del aire, puesto que el terreno posee características térmicas más complejas y, con frecuencia, poco conocidas. Según la guía técnica del IDAE sobre bombas de calor geotérmicas, este intercambio de energía térmica con el terreno es posible gracias a la estabilidad de temperaturas del terreno a partir de los 10-15 metros de profundidad como se verá más adelante. La bomba de calor acoplada al terreno también se denomina bomba de calor geotérmica de muy baja temperatura, aprovechando terrenos cuya temperatura es inferior a 25°C. La figura 1 muestra el esquema básico de funcionamiento de la bomba de calor acoplada al terreno. Un fluido caloportador (agua o agua con anticongelante normalmente) circula por el intercambiador de calor enterrado, GHE (del inglés, Ground Heat Exchanger), y se encarga de la transferencia de calor entre el terreno y el fluido circulante por la bomba de calor. En verano, se cede calor al terreno, mientras que en invierno se extrae calor del mismo. Figura 1: Esquema de funcionamiento de la bomba de calor acoplada al terreno. Fuente: Guía técnica del IDAE sobre bombas de calor geotérmicas. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 2 Los sistemas de bomba de calor acoplada al terreno consisten en tres bucles o ciclos, tal y como se muestra en la figura 2 (Andrew D. Chiasson, 1999). Figura 2: Ciclo esquemático de un sistema GSHP en modo refrigeración (izqda) y en modo calefacción (dcha) Fuente: Andrew D. Chiasson 1999. El primer bucle (inferior) es el que realiza el fluido entrante en el intercambiador de calor acoplado al terreno. Después, este fluido circulante va a intercambiar calor con el segundo bucle (centro), que corresponde a la bomba de calor, por la cual circula un fluido refrigerante. Este intercambio de calor se lleva a cabo mediante el condensador si es verano y el evaporador si es invierno. El tercer bucle es el encargado de compensar las cargas térmicas del espacio a climatizar. El refrigerante intercambiará calor con aire o agua mediante el evaporador si es verano y el condensador si es invierno. Con la misma bomba de calor podemos realizar la calefacción y la refrigeración gracias a la válvula de cuatro vías, que permite invertir el ciclo. Tal y como se muestra en la figura 2, este proyecto está basado en ciclos de refrigeración por compresión, dejando a un lado de los ciclos de refrigeración por absorción. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 3 A pesar de ser una tecnología ampliamente difundida en la mayoría de países del Norte de Europa y América (B. Sanner et al 2003), las instalaciones de bomba de calor geotérmica son de reciente aplicación en las zonas mediterráneas, donde la demanda de refrigeración prima sobre la de calefacción. Sin embargo, el potencial de desarrollo en los próximos años de estos sistemas es muy elevado. En el año 2010 se estimaba que la potencia instalada en España era de 60 a 100 MWt (GEOPLAT 2010), de los cuales más de 30 MWt son aportados por Zaragoza, ciudad pionera en España de los sistemas abiertos de bombas de calor acopladas al terreno, como se verá posteriormente. Respecto al resto de Europa, en el siguiente mapa se puede observar la situación del desarrollo de las bombas de calor geotérmicas. Mientras que en la zona sur del continente es un mercado emergente, en centro Europa y por el norte ya es algo reciente pero fuerte. Por otro lado los países más consolidados en esta tecnología son Suecia, Alemania, Austria y Francia. Figura 3: Desarrollo del mercado de las bombas de calor geotérmicas en Europa. Fuente: EGEC. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 4 La tabla 1 muestra las unidades de bombas de calor acopladas al terreno y la potencia instalada en los países más avanzados en el año 2008. Se observa que España no aparece en dicha tabla. Con mucha diferencia Suecia es el primer país tanto en unidades (320.687) como en potencia instalada (2.909 MWt), seguida de lejos por Alemania y Francia. Aunque Finlandia tiene menos unidades que Austria, su potencia instalada es mayor. Holanda también tiene bastante potencia instalada (508 MWt) respecto al resto de países que están menos avanzados. País Unidades Potencia instalada (MWt) Suecia 320687 2909,0 Alemania 150263 1652,9 Francia 121886 1340,7 Finlandia 46412 857,9 Austria 48641 544,8 Holanda 19310 508,0 Polonia 11000 180,0 Irlanda 9673 157,0 Italia 7500 150,0 República Checa 9168 147,0 Reino Unido 10350 134,6 Dinamarca 11250 123,8 Bélgica 9500 114,0 Estonia 4874 63,0 Hungría 350 15,0 Eslovenia 1125 12,2 Tabla 1: Países con más unidades de bombas de calor geotérmicas y más potencia instalada en Europa. Fuente: Egec. 1.1. Objetivos del proyecto. El presente proyecto fin de carrera se ha realizado por petición de una asociación de dos empresas de Zaragoza, Geoscan y Dolmen Ingeniería, que están tratando de implementar en su campo de trabajo las instalaciones de bombas de calor acopladas al terreno. La principal preocupación que surge es la disminución o aumento de la temperatura del terreno con el paso del tiempo debido a que no se extrae/inyecta la misma cantidad de energía térmica que se inyecta/extrae, y las consecuencias que esto trae como se verá más adelante. Aparte de estudiar este fenómeno, como proyecto fin de Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 5 carrera se han propuesto otros objetivos, los cuales se muestran en la siguiente tabla junto al capítulo en el que se trata. OBJETIVO CAPÍTULO Analizar la incertidumbre en los test de respuesta térmica 4 Estudiar la metodología de diseño de los intercambiadores de calor acoplados al terreno 5, 11 Idoneidad de los parámetros de un intercambiador de calor enterrado para obtener un mayor COP/EER 6 Métodos de aproximación al valor del rendimiento medio estacional y cálculo del valor mínimo para cumplir la directiva europea 7 Estudio de la disminución del rendimiento por calentamiento/enfriamiento del terreno a medio/largo plazo 8,9 Analizar el software actual sobre dimensionado de intercambiadores de calor acoplados al terreno (fortalezas y debilidades) 11 COP y EER de las instalaciones verticales en España 13 Situación en Zaragoza 14 Tabla 2: Objetivos del proyecto fin de carrera. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 6 2. Clasificación de los intercambiadores de calor. En una GSHP nos podemos encontrar varios tipos de intercambiadores de calor acoplados al terreno, entre los que se selecciona en función de diferentes parámetros: espacio superficial disponible, necesidades de calefacción/refrigeración en el edificio, costes de instalación, condiciones climáticas, nivel de agua superficial, tipo de suelo. En primer lugar se va a describir una clasificación a groso modo según la ASHRAE, y después una clasificación más extensa según la guía técnica sobre bombas de calor geotérmicas. 2.1. Clasificación según la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). La ASHRAE, denomina a los sistemas de bombas de calor acopladas al terreno GSHP (del inglés Ground Source Heat Pump). En español también se encuentra la denominación BCG (Bomba de Calor Geotérmica). Dichos sistemas se clasifican en: 1. Ground Water Heat Pump (GWHP). La bomba de calor aprovecha el flujo de las aguas subterráneas. 2. Surface Water Heat Pump (SWHP). Se trata de un intercambiador cerrado que intercambia calor con aguas superficiales (acuíferos). 3. Ground Coupled Heat Pump (GCHP). El intercambio de calor con el terreno se lleva a cabo con un intercambiador de calor enterrado y cerrado acoplado al terreno. En un sistema SWHP, la extracción e inyección de energía térmica en forma de calor se lleva a cabo a través de un fluido circulante mediante tuberías de alta densidad de polietileno posicionadas a una adecuada profundidad en un lago, estanque o embalse (acuífero). La convección natural es el principal causante de la transferencia de calor en los sistemas SWHP. La mayor desventaja de estos sistemas es que la temperatura del agua se ve más afectada por las condiciones climáticas, sobre todo en invierno (H.Yang et al, 2010). En la siguiente figura se observa el esquema de cada uno de estos tipos. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 7 Figura 4: Esquema de los diferentes tipos de GSHP. Fuente: H. Yang et al 2010. A continuación se pasa a la descripción según la guía técnica sobre bombas de calor geotérmicas. 2.2. Intercambiadores de calor abiertos. Se realiza la captación de un recurso hídrico (acuífero, lago, río…) para intercambiar calor devolviéndose posteriormente a su origen, correspondiéndose con el sistema Ground Water Heat Pump visto en el apartado anterior. Hay varios factores importantes a considerar en un sistema abierto. En primer lugar la calidad del agua, lo que puede dar lugar a ensuciamiento, corrosión u obstrucción en el intercambiador de calor primario (con el refrigerante). En segundo lugar la disponibilidad adecuada de agua, porque es necesaria una gran cantidad y puede afectar a la regulación del recurso hídrico. Y en tercer lugar, es qué hacer con el agua de descarga. El agua se necesita re-inyectar en un pozo separado al de extracción a un río o lago. Los códigos locales y regulaciones también pueden afectar la factibilidad de estos sistemas. Debe realizarse un estudio y asegurar que el balance global de energía térmica aportada al acuífero sea nulo, es decir, se debe garantizar que no se modifican las temperaturas del acuífero con el paso del tiempo (Guía técnica IDAE sobre bombas de calor geotérmicas). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 8 Figura 5: Intercambiador de calor abierto. Fuente: Geoprodesign. Una buena configuración de un sistema abierto, puede suministrar los más altos requerimientos de cargas de calefacción/refrigeración. Con el sistema abierto se consigue un COP más alto, porque la conductividad térmica del agua freática puede ser mayor que la de la tierra, para mismos niveles de temperatura, debido al coeficiente de advección y a que la temperatura se mantiene más constante. 2.3. Intercambiadores de calor cerrados. En los circuitos cerrados es un fluido caloportador dentro de una tubería el que realiza el intercambio, generalmente con el suelo aunque también se puede realizar con una masa de agua (sistemas SWHP). Dentro de los intercambiadores de calor cerrados se clasifican según la orientación en horizontal y vertical. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 9 Figura 6: Disposición horizontal del intercambiador de calor enterrado. Fuente: Geoprodesign. Figura 7: Disposición vertical del intercambiador de calor enterrado. Fuente: Geoprodesign. La configuración en horizontal presenta las siguientes diferencias frente a la vertical: tiene mayor dificultad para determinar las condiciones del terreno, tiene mayor influencia de las condiciones climatológicas, más incertidumbre en el diseño, requiere mayor margen de seguridad y es más barato. La configuración horizontal puede emplearse cuando los requerimientos de las cargas de calefacción/refrigeración sean menores (Göran Hellström 2005). 2.3.1. Intercambiadores de calor horizontales. Se trata de la configuración más barata cuando se dispone de un espacio suficientemente extenso para hacer la instalación. El fluido circula a través de las tuberías en el sistema cerrado. El intercambiador horizontal es el sistema más fácil de instalar mientras el edificio se está construyendo. Sin embargo los nuevos sistemas de excavación Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 16 Para el interconexionado entre perforaciones se requieren otros materiales cuyos costes se pueden cifrar en:  4 a 7 €/m. Respecto al material de relleno, para los diámetros más comunes, el coste puede oscilar entre:  3,5 a 5 €/m. El fluido caloportador que rellena las sondas, en concentraciones de anticongelante del orden del 25% tiene un coste de:  5 a 7 €/m. En el caso de la existencia de residuos o lodos, se pueden utilizar contenedores para su retirada, con un coste de:  100 a 200 €/m3. Si además se requiere de una planta móvil para el filtrado de lodos el coste oscilará entre:  1500 a 1800 €/día. 2.5.1. Ejemplo del coste de una instalación de GHE. A continuación se va a calcular el coste de una instalación a modo de ejemplo, para observar a qué cifras puede llegar en total instalar un GHE. Vamos a considerar un sistema GHE, con 8 pozos de 100 metros de profundidad cada uno, sin existencia ni necesidad de lodos en la perforación. Dentro de los intervalos de costes descritos anteriormente, escogeremos siempre el caso más desfavorable, es decir, el más caro.  Costeperforación = 60 €/m * 100 m/pozo * 8 pozos = 48000 €.  Costedesplazamiento = 6500 €.  Costeintercambiador = 1300 €/ 100 m * 200 m/pozo * 8 pozos = 20800 €. Debemos tener en cuenta que aunque la perforación sea de 100 metros, la longitud del intercambiador debe ser el doble (ida y vuelta).  Costeinterconexión = 7 €/m * 10 m/pozo * 8 pozos = 560 €. Suponiendo que por cada pozo sean necesarios unos 10 metros. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 17  Costerelleno = 5 €/m* 100 m/pozo * 8 pozos = 4000 €.  Costefluido = 7 €/m* 100 m/pozo * 8 pozos = 5600 €.  Costetotal = 48000 + 6500 + 20800 + 560 + 4000 + 5600 = 85460 €. Con diferencia, el mayor coste es el de perforación, seguido del coste del intercambiador de calor enterrado. Se demuestra que el coste de perforación es el principal causante del encarecimiento de las instalaciones GCHP verticales, ya que en el caso de GCHP horizontales este valor disminuye significativamente, y más aún si se instala el sistema horizontal en el momento en el que se construye el espacio a climatizar. Respecto a los costes de desplazamiento, material de relleno y fluido caloportador, no podemos afirmar rotundamente mediante este estudio cuál es más caro, ya que son precios que no se llevan mucho y pueden variar dependiendo de varios factores: distancia del desplazamiento necesario de la maquinaria de obra, concentración de anticongelante en el fluido caloportador, distinta concentración de cemento y bentonita en el material de relleno, etc. Además, cuanto mayor sea la profundidad del pozo, mayor será el precio del material de relleno y del fluido caloportador, pero el coste de desplazamiento será el mismo. El material de interconexión de pozos va a ser lo más barato de la instalación. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 16 2.6. Resumen de los intercambiadores de calor acoplados al terreno. (Elaboración propia) Sistema abierto GWHP Intercambio con acuífero SWHP GSHP Sistema cerrado Serie Vertical Paralelo Intercambio con terreno Slinky Horizontal Serie Paralelo Pilote Cimentación termoactiva Pantalla Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 17 3. Propiedades térmicas del terreno. Para realizar una correcta instalación GSHP vertical u horizontal es necesario conocer las propiedades térmicas del terreno, que se pueden determinar mediante el Test de Respuesta Térmica (TRT), el cual se explicará más adelante. Uno de los parámetros más importante es la conductividad térmica, con la que podremos estimar la energía térmica que vamos a poder extraer o inyectar mediante el intercambiador de calor enterrado: Qx = -λ·A·𝑑𝑇 𝑑𝑥 (3.1) Siendo:  λ la conductividad térmica (W/mK).  Qx el flujo de calor por unidad de tiempo que atraviesa el espesor (W).  A el área de la superficie a través de la cual se produce la transferencia de calor (m2).  𝑑𝑇 𝑑𝑥 representa el gradiente de temperatura (K/m). Algunos de los valores más usuales para la conductividad térmica, y también de la capacidad térmica volumétrica, se recogen en la tabla 4 de acuerdo al tipo de terreno (Paud 2002). Como se observa, los valores típicos de la conductividad térmica van de 0,4 a 6 W/mK. Lo valores más elevados son cuarcita y sal, con 6 y 5,4 W/mK respectivamente. Debemos tener en cuenta que no es común encontrar este tipo de terrenos con conductividades tan elevadas, y que los siguientes valores superiores en la tabla están en torno a 3 W/mK. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 18 Tipo de roca Conductividad térmica (W/mK) Capacidad térmica volumétrica Mín. Valor típico Máx. MJ/m3K Rocas magmáticas Basalto 1,3 1,7 2,3 2,3-2,6 Diorita 2 2,6 2,9 2,9 Grabo 1,7 1,9 2,5 2,6 Granito 2,1 3,4 4,1 2,1-3,0 Peridotita 3,8 4 5,3 2,7 Riolita 3,1 3,3 3,4 2,1 Rocas metamórficas Gneis 1,9 2,9 4 1,8-2,4 Mármol 1,3 2,1 3,1 2 Metacuarcita Aprox. 5,8 2,1 Micasquistos 1,5 2 3,1 2,2 Esquistos arcillosos 1,5 2,1 2,1 2,2-2,5 Rocas sedimentarias Caliza 2,5 2,8 4 2,1-2,4 Marga 1,5 2,1 3,5 2,2-2,3 Cuarcita 3,6 6 6,6 2,1-2,2 Sal 5,3 5,4 6,4 1,2 Arenisca 1,3 2,3 5,1 1,6-2,8 Limolitas y argilitas 1,1 2,2 3,5 2,1-2,4 Rocas no consolidadas Grava, seca 0,4 0,4 0,5 1,4-1,6 Grava, saturada de agua Aprox. 1,8 Aprox. 2,4 Arena, seca 0,3 0,4 0,8 1,3-1,6 Arena, saturada de agua 1,7 2,4 5 2,2-2,9 Arcilla/limo, seco 0,4 0,5 1 1,5-1,6 Arcilla/limo, saturado de agua 0,9 1,7 2,3 1,6-3,4 Turba 0,2 0,4 0,7 0,5-3,8 Otros materiales Bentonita 0,5 0,6 0,8 Aprox. 3,9 Hormigón 0,9 1,6 2 Aprox. 1,8 Hielo (-10°C) 2,32 1,87 Plástico (PE) 0,39 Aire (0 - 20°, seco) 0,02 0,0012 Acero 60 3,12 Agua (+ 10°C) 0,58 4,19 Tabla 4: Conductividad y capacidad térmica de algunos tipos de roca. Fuente: Paud, D. Geothermal energy and heat storage, 2002. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 19 Por otro lado, la difusividad térmica se define como el ratio entre la capacidad de conducción del terreno y la capacidad térmica volumétrica del terreno. Un valor alto de la difusividad térmica quiere decir que el terreno conduce el calor mucho mejor de lo que lo almacena, y un valor bajo significa que el terreno será buen almacenador respecto a cómo conduce el calor. 𝛼=𝜆 𝐶 (3.2) Donde:  𝛼 es la difusividad térmica (m2/s).  𝜆 la conductividad térmica (W/mK)  C la capacidad térmica volumétrica (J/m3K) En la mayoría de los casos la determinación de las propiedades térmicas de los suelos es muy complicada. Labs y Harrington (1982) realizaron un análisis de los valores de difusividad térmica calculados por Kusuda (1968). El rango de valores para la difusividad térmica que obtuvieron va desde 0,36 10-6 m2/s hasta 0,8 m2/s, correspondientes a suelos secos, medio y húmedo. Givoni y Katz seleccionaron como valores límites α = 0,4 10-6 m2/s para suelo seco y α = 1,08 10-6 m2/s para suelo húmedo. El efecto de la humedad es aumentar la conductividad térmica del suelo. Existen estudios realizados sobre la forma en que esta humedad se encuentra dentro de los suelos (en forma de vapor o en forma de agua líquida). En el caso de encontrarse como vapor, los efectos convectivos del vapor de agua entre los granos del suelo hacen que la transferencia de calor sea más eficiente que si se tratara de agua líquida. Algunos de los valores más usuales para la difusividad térmica de acuerdo al tipo de suelo se encuentran en la tabla 5. Tipo de suelo Húmedo Rocoso Húmedo y compacto Seco y compacto Húmedo y ligero Seco y ligero λ (W/mK) 2,4 2,4 1,3 0,87 0,87 0,35 α (m2/s) 1,02x10-6 1,02x10-6 0,64x10-6 0,52x10-6 0,52x10-6 0,29x10-6 Tabla 5: Conductividad y difusividad térmica para distintos tipos de suelo. Fuente: Labs y Harrington 1982. 3.1. Evolución de la temperatura con la profundidad. Las condiciones climatológicas del ambiente, van a influir en los primeros metros de la profundidad del terreno, pero a medida que aumenta la profundidad se llega a una temperatura constante durante todo el año (aproximadamente a partir de 10-15 metros). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 20 En la siguiente figura se muestra un ejemplo a modo de comparación de la evolución mensual de la temperatura del ambiente (rojo), del agua del freático (azul) y del terreno a poca profundidad amarillo) (CTEC, 2005): Figura 17: Variación mensual de la temperatura en distintos medios. Fuente: CTEC 2005. A continuación se muestra una figura que representa la evolución diaria de las temperaturas a lo largo de un año para un punto situado a diferentes profundidades bajo la superficie. Las temperaturas son típicas de Valencia (Teresa Magraner 2010). Figura 18: Evolución anual de la temperatura a distintas profundidades. Fuente: Teresa Magraner 2010. Se observa que, a medida que se incrementa la profundidad, la amplitud de las oscilaciones térmicas decrece y sus máximos y mínimos se van desfasando. La curva de color rojo corresponde a la oscilación inmediatamente bajo la superficie. En magenta, azul claro, amarillo y azul oscuro se representan respectivamente la temperatura a 1 m, 2 m, 3 m y 10 m. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 21 El gradiente geotérmico es el aumento de la temperatura con la profundidad y se estima que empieza a partir de unos 100 metros de profundidad, con un aumento de la temperatura de 1,5-3 °C cada 100 metros. Por este motivo, solo se va a considerar en instalaciones geotérmicas verticales cuya profundidad supere los 100 metros. 3.1.1. Métodos para calcular la evolución de la temperatura del terreno. Suponiendo un suelo homogéneo con propiedades térmicas constantes, la temperatura a cualquier profundidad z puede calcularse a partir de la siguiente expresión (Kusuda y Achenbach, 1965): T (z, t) = Tm – As 𝑒−𝑧 𝜋 365𝛼 cos 2𝜋 365 𝑡−𝑡𝑜−𝑧2 365 𝜋𝛼 (3.2) Donde:  T (z, t) es la temperatura en °C del suelo en el tiempo t a una profundidad z.  Tm es la temperatura media anual del suelo en °C a una profundidad donde no son perceptibles las variaciones de temperatura, es decir, la temperatura que permanece constante en el terreno durante todo el año. Se asume como constante hasta profundidades de 100 metros.  As la oscilación anual de la temperatura superficial. Depende de la localización, del tipo de suelo y del contenido en agua.  t es el tiempo en días.  t0 es el desplazamiento de la temperatura superficial con la profundidad. Esto es el retraso en días de las temperaturas máximas y mínimas del suelo a cierta profundidad comparado con las temperaturas máximas y mínimas en la superficie.  α es la difusividad térmica del terreno en m2/día. La ecuación anterior es válida cuando la variación de temperatura ambiente es senoidal. En climas secos esta aproximación no es válida; la temperatura ambiente se aproxima más a una parábola seguida de una exponencial decreciente que a una curva del tipo senoidal. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 22 Figura 19: Ejemplo de temperatura ambiente para climas secos. Fuente: Silvana Flores et al. En estos casos, se realiza un desarrollo en serie de Fourier de la temperatura ambiente: Tamb (t) = Tm – 𝐴𝑛 ∞ 𝑛=1 cos 2𝑛𝜋 365𝑡−𝜙𝑛 (3.3) En donde 𝐴𝑛 y 𝜙𝑛 son los coeficientes de amplitud y fase del desarrollo de Fourier de la temperatura ambiente y Tm es la temperatura ambiente media anual. Se toman cuatro términos del desarrollo en serie. Estos cuatro términos son suficientes para representar las distribuciones de temperatura ambiente y del suelo (Erbs et al., 1983; Flores Larsen y Lesino, 1999). A continuación, los parámetros de Fourier obtenidos (amplitud y fase) son integrados en la nueva ecuación (Carlslaw y Jaeger, 1959). T (z,t) = Tm – 𝐴𝑛 ∞ 𝑛=1 𝑒−𝑧 𝜋 365𝛼cos 2𝑛𝜋 365𝑡−𝜙𝑛−𝑧 𝑛𝜋 365𝛼 (3.4) En donde α es la difusividad térmica del suelo, t el tiempo y z la profundidad. De la ecuación 3.4 se puede ver que la amplitud de oscilación de la temperatura del suelo disminuye con la profundidad, por lo que a mayor profundidad se encuentra una temperatura más estable y cercana a la media anual. Las hipótesis con las que se trabaja es que la distribución de temperatura del suelo no se ve afectada significativamente por la presencia del GHE, debido a que el intercambio de calor con la gran masa del suelo permite considerarlo como una fuente (o sumidero) de calor. Resulta llamativo que por un lado se denomina al terreno como un foco, con lo que, por su propia definición, no varía su temperatura. Por otro lado un problema en las bombas de calor geotérmicas es el aumento o la disminución de la temperatura del terreno con el paso del tiempo debido a que se extrae/inyecta más energía térmica de la que se inyecta/extrae en el terreno. Por tanto las Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 23 hipótesis anteriores son cuestionables y pierden validez cuando se trabaja con el suelo como acumulador estacional. Otras formas para determinar las temperaturas del suelo parten del conocimiento de las condiciones de temperatura locales del suelo basadas en la experiencia o datos medidos. Existen gráficas de diseño como las de la figura 20, llamadas curvas de embudo, para determinar la temperatura máxima y mínima del suelo en función del día y de la profundidad del suelo (Guía técnica IDAE sobre bombas de calor geotérmicas). Figura 20: Evolución de la temperatura del terreno con la profundidad, curva de embudo. Fuente: Guía técnica del IDAE sobre bombas de calor geotérmicas. La curva roja corresponde al día 30 del año, la curva magenta al día 90, la azul claro al 180 y la amarilla al día 270. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 30 Sonda termométrica Error relativo (%) Error absoluto (K) PT100 (a 0,5 °C) ± 30,0 ± 0,15 PT100 (a 50 °C) ± 0,5 ± 0,25 PT100 (ΔT 5°C) ± 5,4 ± 0,27 PT100 (a 0,5 °C) ± 1,2 ± 0,06 K Tabla 7: Errores típicos en sondas termométricas PT100. Fuente: Henk J.L. Witte, 2012. Medidor de potencia. Mide la potencia inyectada en el terreno. El error relativo de esta medida es menor del 2 %. Medida del tiempo. En un test de 100 horas el error de tiempo puede ir de 8,6·10-4 a 1,6·10-3 segundos. No es un error relevante y se ignora. 4.3.2. Errores de parámetro. Errores en los parámetros que se miden una vez y por separado (por ejemplo, la longitud del pozo o la densidad del fluido caloportador) o que se estiman o son obtenidas de otra fuentes (tales como la capacidad calorífica del terreno o el fluido). Densidad y capacidad calorífica media del fluido. Estos valores se necesitan para calcular la potencia inyectada. Varían con el tipo de fluido, el ratio de mezcla y la temperatura. Debido a su dependencia con la temperatura, varían durante todo el experimento. Normalmente la mezcla es agua con anticongelante glicol monopropileno (MPG) o monoetileno (MEG). A partir de las propiedades de los fluidos puros, podremos calcular las propiedades del fluido mezclado. Considerando un 35 % de anticongelante en la mezcla, los errores máximos en las propiedades se consideran los de la tabla 8. Fluido Propiedad Error relativo (%) Error absoluto MPG Densidad 1,5 16,2 kg/m3 MPG Ratio de mezcla 2,9 1% MPG Capacidad calorífica 2 90 J/kgK MEG Densidad 1,5 13,8 kg/m3 MEG Ratio de mezcla 2,8 0,98% MEG Capacidad calorífica 2 90 J/kgK Tabla 8: Máximo error en las propiedades del fluido para MPG (35%) y MEG (35%). Fuente: Henk J.L. Witte, 2012. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 31 Capacidad calorífica volumétrica del terreno. Se suele estimar a partir del perfil geológico del terreno. No es fácil de definir, pero en un rango de capacidad calorífica de 2,0 - 3,4 MJ/m3K un error absoluto de ± 0,2 - 0,51 MJ/m3K (error relativo de 10-15%) puede ser razonablemente conservador. Longitud activa del GHE. Antes de introducirse el tubo en el pozo debería ser medido, sin olvidarnos de la calibración de la cinta métrica y su precisión (si mide en centímetros, milímetros, etc). Cuando un pozo no está correctamente rellenado, el tubo puede hundirse, cambiando de esta manera la longitud activa del pozo y por tanto la tasa de inyección de calor. Radio del pozo. Debemos tener en cuenta que el radio del pozo debería ser constante a lo largo de su profundidad, pero esto no siempre es así. Witte, considera un error absoluto de ± 0,02 m para un valor de referencia de 0,1 m. Coeficientes k y m (ecuaciones 4.1 y 4.2). Sugiere calcular su error a partir de sus desviaciones estándar. Se puede calcular el error absoluto con un intervalo de confianza del 95% con la expresión ± 1,96 * desviación estándar (k). 4.3.3. Errores de propagación o combinación. Son los errores causados por la combinación de los parámetros y medidas explicadas anteriormente, ya que a partir de ellas será necesario hallar otros parámetros mediante fórmulas. A continuación se van a exponer las fórmulas que nos van a determinar el error de los parámetros necesarios para calcular la conductividad y resistencia térmica, basadas en estadística básica. Diferencia de temperatura de ida y retorno. δΔT = δTret 2+ δTin 2 (4.3) Donde:  δTret es el error absoluto de la temperatura de retorno del fluido caloportador (incertidumbre de la sonda PT100).  δTin es el error absoluto de la temperatura de ida del fluido caloportador (incertidumbre de la sonda PT100).  δΔT es el error absoluto de la diferencia entre ambas temperaturas. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 32 Temperatura del terreno. δTg = (𝛿𝑇𝑔 𝑑 )2 𝑛 𝑑=1 𝑛 (4.4) Donde:  δTg es el error absoluto de la temperatura del terreno.  𝛿𝑇𝑔 𝑑 es el error absoluto de cada medida que tomamos del terreno. Por ejemplo, si en un pozo de 100 metros colocamos una sonda termométrica cada 5 metros, 𝛿𝑇𝑔 𝑑 sería el resultado de cada una de las 20 sondas. Temperatura media. El error de la temperatura media va a depender si realizamos una media aritmética o logarítmica. - Aritmética. δTf = δTret 2+ δTin 2 2 (4.5) Donde:  δTret es el error absoluto de la temperatura de retorno del fluido caloportador (incertidumbre de la sonda PT100).  δTin es el error absoluto de la temperatura de ida del fluido caloportador (incertidumbre de la sonda PT100).  δTf es el error absoluto de la temperatura media del fluido caloportador. - Logarítmica. δTf = 𝛥𝑇𝑓 𝛥𝑇𝑔𝛿𝑇𝑔 2 + 𝛥𝑇𝑓 𝛥𝑇𝑖𝑛 𝛿𝑇𝑖𝑛 2 + 𝛥𝑇𝑓 𝛥𝑇𝑟𝑒𝑡 𝛿𝑇𝑟𝑒𝑡 2 (4.6) Donde:  𝛥𝑇𝑓 es el incremento de la diferencia entre la temperatura de ida y retorno del fluido caloportador, respecto a las variables por las que está dividida en cada término dentro del radical. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 33 Potencia inyectada. El generador que utilicemos para inyectar la potencia en el terreno vendrá con su potencia nominal. No obstante se puede calcular con la siguiente expresión: Q= 𝑞𝑣𝜌𝑐𝛥𝑇𝑓 (4.7) Donde:  Q es la potencia en W.  𝑞𝑣 es el caudal en m3/s.  𝜌 es la densidad del fluido caloportador en kg/m3.  𝑐 es la capacidad calorífica del fluido caloportador en J/kg·K.  𝛥𝑇𝑓 es el incremento de la diferencia entre la temperatura de ida y retorno del fluido caloportador en K. La expresión que determina el error absoluto de la potencia inyectada es la siguiente: δQ Q= δqv qv 2 + δρ ρ 2 + δc c 2 + δΔTf ΔTf 2 (4.8) Donde:  δQ es el error absoluto de la potencia inyectada.  δqv es el error absoluto del caudal.  δc es el error absoluto del calor específico.  δΔTf es el calor absoluto del incremento de temperaturas. Conductividad térmica. 𝜹𝝀𝑻𝑹𝑻 𝝀𝑻𝑹𝑻 = 𝜹𝒒𝒗 𝒒𝒗 𝟐+ 𝜹𝝆 𝝆 𝟐+ 𝜹𝒄 𝒄 𝟐+ 𝜹𝜟𝑻 𝜟𝑻 𝟐+ 𝜹𝑯 𝑯 𝟐+ 𝜹𝒌 𝒌 𝟐 (7.9) Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 34 Donde:  𝛿𝜆𝑇𝑅𝑇 es el error absoluto de la conductividad térmica del terreno obtenida por el TRT.  δH es el error absoluto de la profundidad del pozo.  δk es el error absoluto del coeficiente de regresión. Resistencia térmica del pozo. δ𝑅𝑏 = 𝛥𝑅𝑏 𝛥𝐻 𝛿𝐻 2 + 𝛥𝑅𝑏 𝛥𝑄 𝛿𝑄 2 + 𝛥𝑅𝑏 𝛥𝑚𝛿𝑚 2 + 𝛥𝑅𝑏 𝛥𝑇𝑔𝛿𝑇𝑔 2 + 𝛥𝑅𝑏 𝛥𝜆 𝛿𝜆 2 + 𝛥𝑅𝑏 𝛥𝐶 𝛿𝐶 2 + 𝛥𝑅𝑏 𝛥𝑟0𝛿𝑟0 2 (4.10) Donde:  𝛥𝑅𝑏 es el incremento de la resistencia térmica del pozo, respecto a las variables por las que está dividida en cada término dentro del radical.  𝛿𝑚 es el error absoluto del el valor de la intersección del coeficiente de regresión de la temperatura con el logaritmo del tiempo.  𝛿𝑟0 es el error absoluto del radio del pozo. Los resultados del estudio realizado por Witte, muestran un ranking de las magnitudes de diferentes errores individuales en los análisis de TRT. Se encuentran grandes errores relativos en el radio del pozo, capacidad calorífica del terreno y diferencia de temperaturas de ida y retorno. La mayor contribución al error total en la conductividad térmica corresponde al error cometido en el cálculo de la diferencia de temperaturas (70%), seguido del error de la capacidad calorífica del fluido (15,5%) y el error de k (6,9%). Respecto a la resistencia térmica, el mayor responsable de su error absoluto es la conductividad térmica (93%), seguido del radio del pozo (5,8%) y el valor de m (0,66%). En las referencias, se puede encontrar una dirección web, Excel (Witte, 2012), en la cual se halla una aplicación con todas las fórmulas mostradas implementadas en una hoja Excel. En la siguiente figura se muestra la apariencia de dicha hoja. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 35 Figura 23: Errores en los TRT, Excel. Fuente: Henk J.L. Witte, 2012. Solamente se pueden cambiar las casillas en blanco. En la columna "value" deberemos poner el valor medido para cada variable. En la columna "uncertainty" el error absoluto dependiendo del aparato que utilicemos para medir cada una de las variables. Automáticamente se calcula el error relativo y absoluto de las variables que nos interesan, es decir, la conductividad térmica del terreno y la resistencia térmica del pozo. Se observa que las casillas "value" de conductividad y resistencia son blancas, y que somos nosotros quienes deberemos introducir su valor dependiendo del método de evaluación de TRT que usemos. Conocidos los errores absolutos de conductividad y resistencia, podremos dimensionar para los casos más desfavorables: mínima conductividad térmica (valor nominal menos error absoluto) ; máxima resistencia térmica (valor nominal más error absoluto). De esta forma, se tendrá más seguridad a la hora de dimensionar y que la instalación cumpla con los requisitos correctamente. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 36 4.3.4. Errores de modelo. El TRT se basa en un modelo, como el modelo del foco lineal, que asume ciertas hipótesis muy específicas. Si alguna de estas hipótesis no es cierta, el procedimiento de medida no se debería usar para obtener los parámetros de interés (conductividad térmica efectiva y resistencia térmica del pozo). Aunque los valores medidos sean los correctos, el resultado final es solo una aproximación del valor real. Algunas de las hipótesis que se asumen en la realización de un TRT son: 1. La transferencia de calor en el terreno es solo por conducción. 2. La conductividad térmica en el volumen de terreno probado es isotrópica y constante en el tiempo y espacio. 3. No hay transferencia de calor en la dirección axial. 4. No hay efecto de la capacidad calorífica del pozo. 5. El GHE se aproxima a un foco lineal. 6. Después de un estado transitorio inicial, hay un estado estacionario de la resistencia térmica del pozo. 7. La potencia inyectada es constante. Algunos procesos que invalidan las hipótesis se exponen a continuación, mostrando entre paréntesis el número de hipótesis que incumpliría: Flujo de aguas subterráneas (1,2). Variaciones en la geología y conductividad térmica asociada de los materiales compuestos, por ejemplo inclusiones de grava o arena (2). Variación de las aguas del freático (2,3,6). Cambio grande de la temperatura superficial o gradiente geotérmico (3). Pozos con diámetro muy elevado o mucho material de relleno (4). Pozos poco profundos (5). Fluctuaciones en la potencia inyectada (7). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 37 Por su parte, Marc Sauer (2012), en base a su experiencia, ha desarrollado algunos procedimientos de rutina obligatorios a realizar antes del comienzo del TRT, con el fin de ayudar a evitar incidentes:  Comprobar la fuente de alimentación. Una mala graduación puede dar lugar a un sobrecalentamiento del dispositivo y a una combustión lenta de la instalación del TRT. Una fuente de alimentación inestable puede conducir al desarrollo desigual de temperaturas, haciendo difícil o imposible llevar a cabo el TRT.  Comprobar que en el fluido no existen burbujas o inclusiones, ya que podría bloquear el desarrollo del TRT.  Aislar la instalación y las conexiones. La influencia del ambiente debe mantenerse tan baja como sea posible, ya que no puede ser controlada y afecta fuertemente al TRT de manera similar a como lo puede hacer las fluctuaciones de tensión de la fuente de alimentación. Con el método de análisis secuencial de los datos, se muestra directamente en un gráfico la conductividad térmica del terreno frente al tiempo. Estas gráficas nos van a servir para detectar algún efecto anómalo. Por ejemplo en el caso de la gráfica superior, la evaluación del TRT sería perfecta, pues en un tiempo prolongado el valor de la conductividad se mantiene constante, mientras que en la gráfica inferior el valor de la conductividad no se estabiliza debido a las fluctuaciones de la potencia suministrada en el TRT. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 38 Gráfica 2: Análisis de datos secuencial. Fuente: Marc Sauer, 2012. Otro error que se comete en los test de respuesta térmica es que solo se realiza el ensayo en un pozo, y tener resultados de un solo pozo no es un resultado representativo de todas las perforaciones. Petr Hemza et al (2012) ha tenido la ocasión de realizar una serie de TRT en varios pozos de una misma instalación en República Checa. Dichos pozos estaban en condiciones geológicas prácticamente idénticas. La disposición de los mismos se observa en la siguiente figura: Figura 24: Disposición de los pozos para un TRT en la misma instalación. Fuente: Petr Hemza et al, 2012. La distancia entre cada pozo es 2,5 metros. A continuación se detallan los valores de conductividad térmica y resistencia térmica obtenidos. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 39 Pozo 3 5 7 9 10 11 12 15 λ 2,35 2,51 2,16 1,84 2,1 2,02 2,17 2,34 Rb 0,077 0,081 0,06 0,093 0,081 0,092 0,065 0,076 Tabla 9: Resultados del TRT para distintos pozos en una misma instalación. Fuente: Petr Hemza et al, 2012. Se observa que la diferencia entre la conductividad más alta (pozo 5) y la más baja (pozo 9) es 0,67 W/mK, lo cual es bastante elevado. El valor medio de todas las conductividades térmicas es 2,19 W/mK. A partir del experimento realizado por Petr Hemza, he llevado a cabo una simulación mediante el software GEO2, el cual se verá posteriormente, para determinar cuanta diferencia en la profundidad de las perforaciones habría debido a las distintas conductividades térmicas del terreno. La simulación consta de 3 casos: la mayor conductividad térmica (2,51 W/mK), la media (2,19 W/mK) y la menor (1,84 W/mK). En la siguiente tabla se pueden observar los datos de la simulación. En la parte superior y en color anaranjado se encuentran los datos comunes a las tres simulaciones. Al igual que en el estudio de Miguel Zamora del apartado 6.1, se tiene un edificio de oficinas en Madrid cuya potencia de calefacción máxima es 30 kW y su potencia de refrigeración máxima es de 25 kW. Por colector se entiende las tuberías que conectan la bomba de calor con el intercambiador acoplado al terreno. Como terreno he seleccionado piedra arcillosa, ya que cambiando su humedad se puede conseguir las conductividades térmicas descritas anteriormente en el software GEO2. Por otra parte, en cada caso he tenido que variar la configuración de los pozos para encontrar un compromiso correcto entre la presión que soporta el GHE y la velocidad del fluido circulante. Las temperatura de aplicación para calefacción es 30°C y para refrigeración 5°C. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 46 térmica y viscosidad, punto de congelación, requerimientos de presión y caídas de presión por rozamiento, comportamiento respecto a la corrosión, toxicidad, inflamabilidad y coste. A continuación se muestran las propiedades físicas de los fluidos más empleados. Tabla 12: Propiedades físicas de los fluidos caloportadores. Fuente: Guía técnica IDAE sobre bombas de calor geotérmicas. 5.3. Elección de la configuración a emplear. El siguiente paso es elegir la configuración del tipo de intercambiador de calor enterrado a emplear, eligiendo entre los descritos en el capítulo 3 (tipos de intercambiadores de calor). Esta elección va a estar condicionada principalmente por los siguientes factores: espacio disponible, dificultad de implementación del intercambiador en el terreno debido a su accesibilidad y demanda del espacio a climatizar. 5.4. Elección de los tubos. Algunos de los términos normalizados para designar a los tubos en los catálogos son los siguientes (Juan Franqueza 2008): PE: polietileno. SDR: parámetro adimensional que expresa el cociente entre el diámetro del tubo y su espesor. Por ejemplo: 32/2,9 significaría un diámetro exterior de 32 mm y un espesor de 2,9 mm. PE-100: El número 100 nos indica la rugosidad del interior del colector, cuanto menor sea la rugosidad menores serán las pérdidas de carga. Cuanto menor sea el número mayor será la rugosidad. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 47 PE-X: es un polietileno más resistente pero triplica en precio al normal. Polietileno reticulado. PN: presión nominal. 5.4.1. Elección de los materiales. El polietileno y el polibutileno son los materiales más comunes en los intercambiadores de calor enterrados. Ambos son flexibles a la vez que resistentes y pueden unirse mediante fusión por calor para formar empalmes más fuertes que el tubo mismo. Los parámetros que van a marcar la elección de uno u otro material es la presión a la que pueden trabajar y el valor de de la conductividad térmica. Dicha conductividad térmica es de 0,33 W/m·K para el polietileno de baja densidad, 0,5 W/m·K para el polietileno de alta densidad y 0,22 W/m·K para el polibutileno. Será también necesario analizar las temperaturas máximas y mínimas del fluido circulante, para comprobar que los materiales de los tubos se van a comportar correctamente. 5.4.2. Elección del diámetro. Se debe llegar a un compromiso entre la caída de presión y el funcionamiento térmico. Por un lado debe ser lo suficientemente grande para producir una pérdida de carga pequeña y así necesitar menor potencia de bombeo. Por otro lado debe ser lo suficientemente pequeño como para garantizar un régimen turbulento, de manera que se favorezca el traspaso térmico entre el fluido que circula y la pared interior. Para asegurar turbulencia se debe cumplir: Re = 4·Q π·ϑ·D > 2300 (5.1) Donde:  Re es el número de Reynolds, que caracteriza si un flujo es turbulento o laminar.  Q es el caudal en m3/s.  D el diámetro del tubo en m.  𝜗 es la viscosidad cinemática (m2/s). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 48 5.5. Cálculo de la longitud del intercambiador de calor enterrado. A continuación se va a proceder a desarrollar el método de IGSHPA para el dimensionado de los captadores en las estaciones de invierno (calefacción) y verano (refrigeración), tal y como se puede encontrar en la bibliografía consultada (Samuel Iglesias, 2010). El intercambiador de calor vendrá fijado por la diferencia de temperaturas entre el suelo y el fluido que circule por el intercambiador, por lo tanto, para dimensionar el intercambiador de calor enterrado en primer lugar se determinan estas temperaturas. 5.5.1. Determinación de la temperatura máxima y mínima de la tierra. A partir de la ecuación de Kusuda y Achenbach, T (z, t) = Tm – As 𝑒−𝑧 𝜋 365𝛼 cos 2𝜋 365 𝑡−𝑡𝑜−𝑧2 365 𝜋𝛼 (3.2) se calculan las temperaturas máximas (TH) y mínimas de la tierra (TL) que ocurren durante el ciclo anual para cualquier profundidad (XS), cuando el coseno se hace máximo y mínimo. Las ecuaciones analíticas son las siguientes: TL (XS) = Tm – AS · 𝑒 −𝑋𝑆· 𝜋 365·𝛼 (5.2) TH (XS) = Tm + AS · 𝑒 −𝑋𝑆· 𝜋 365·𝛼 (5.3) La temperatura media de la tierra Tm se puede tomar como la temperatura seca media anual del lugar. La amplitud anual de la temperatura media diaria (As) se puede determinar a partir de datos tabulados para localizaciones geográficas específicas, calculando el valor medio entre la temperatura media del mes más caluroso y la temperatura media del mes más frío. En los sistemas verticales se puede considerar AS igual a 0, puesto que asumimos que a la profundidad que está instalado la temperatura es constante. Los valores de la difusividad térmica del suelo, α, dependen del tipo de suelo y del contenido de agua. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 49 5.5.2. Determinación de las temperaturas máximas y mínimas de entrada del fluido a la bomba de calor. El diseñador del sistema debe elegir la temperatura del fluido circulante por el intercambiador de calor enterrado. Debe encontrarse un compromiso óptimo entre las siguientes consideraciones: - Cuanto más baja sea la temperatura en invierno (más alta en verano), mayor será la diferencia con la temperatura del suelo, y menor tendrá que ser el intercambiador enterrado para el mismo intercambio de calor, por lo que se reducen los costes de inversión. - Cuanto más alta sea la temperatura en invierno (más baja en verano), mayor será el COP del sistema, por lo que el ahorro energético será mayor. Así pues con estas premisas se elegirán las temperaturas máximas y mínimas de trabajo (TMAX, TMIN). 5.5.3. Dimensionado en régimen de refrigeración. A continuación se muestra, en la figura 25, un esquema global del intercambio de flujos en el sistema completo intercambiador de calor – bomba de calor – local a climatizar. 𝑄𝑐=𝑊+ |𝑄𝑓| (5.4) Donde:  Qc es la potencia térmica a ceder en el intercambiador enterrado (W).  W es la potencia eléctrica absorbida de la red (W).  Qf es la potencia térmica a extraer del local a climatizar (W). Figura 25: Esquema global de refrigeración. Fuente: Samuel Iglesias 2010. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 50 Si este flujo de calor se expresa por unidad de longitud de intercambiador enterrado se tiene: qc = 𝑄𝑐 𝐿𝑟 (5.5) Donde:  qc es la potencia térmica a ceder en el intercambiador enterrado por unidad de longitud (W/m).  Lr es la longitud de intercambiador enterrado (m). Una vez determinado el flujo de calor en el sistema global se va a estudiar el intercambiador en régimen estacionario: qc = 𝑇𝑓−𝑇𝑠 𝑅𝑇 (5.6) Donde:  RT es la resistencia térmica del conjunto (mK/W).  Tf es la temperatura en el seno del fluido (K).  Ts es la temperatura en la superficie del intercambiador (K). La ecuación 5.6 se obtiene aplicando la ley de Fourier en el sistema representado en la figura 26. Figura 26: Balance en el intercambiador enterrado. Fuente: Samuel Iglesias. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 51 RT se calcula como: RT = Rt + Rs·Fu,r (5.7) Donde:  Rt es la resistencia térmica de la tubería (mK/W).  Rs es la resistencia térmica del suelo (mK/W).  Fu,r es el factor de utilización de la instalación (adimensional). Es la fracción de tiempo en el cual la bomba de calor permanece en funcionamiento. Se ha de observar la introducción del factor de uso en la ecuación 5.7. El fenómeno de transferencia de calor que estamos analizando es en realidad transitorio, pero mediante la utilización del factor de utilización podemos hacer una aproximación para tratar el sistema como estacionario. Por otro lado la resistencia térmica de la tubería se puede expresar como: Rt = 1 2·𝜋·𝜆𝑡ln 𝐷𝑒 𝐷𝑖 (5.8) Donde:  λt es la conductividad térmica de la tubería (W/mK).  Di es el diámetro interior de la tubería (m).  De es el diámetro exterior de la tubería (m). Si sustituimos la ecuación 5.4 en 5.5 e igualamos 5.5 y 5.6 obtenemos: 𝑊+|𝑄𝑓| 𝐿𝑟 = 𝑇𝑓−𝑇𝑠 𝑅𝑇 (5.9) de donde podemos despejar Lc: Lr = 𝑊+|𝑄𝑓| ·𝑅𝑇 𝑇𝑓−𝑇𝑠 (5.10) Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 52 y sustituyendo 5.7 en 5.10, se obtiene la longitud necesaria de intercambiador enterrado, 5.11. Lr = 𝑊+|𝑄𝑓| ·(𝑅𝑡+𝑅𝑠·𝐹𝑢,𝑐) 𝑇𝑓−𝑇𝑠 (5.11) Si además se toman las temperaturas máximas para obtener el caso extremo, TMAX del fluido y TH del suelo, y se expresan las potencias en función del EER de la bomba de calor, se obtienen las expresiones que describen el método IGSHPA: EER = |𝑄𝑓| 𝑊 (5.12) W+|Qf|=|Qf|·𝐸𝐸𝑅+1 𝐸𝐸𝑅 (5.13) Finalmente se obtiene que la longitud del intercambiador necesaria para el régimen de refrigeración es: Lr = 𝑄𝑓 ·𝐸𝐸𝑅+1 𝐸𝐸𝑅 ·(𝑅𝑡+𝑅𝑠·𝐹𝑢,𝑟) 𝑇𝐻− 𝑇𝑀𝐴𝑋 (5.14) 5.5.4. Dimensionado en régimen de calefacción. Análogamente al régimen de refrigeración, se desarrollan los cálculos que siguen para obtener el intercambiador enterrado para el régimen de calefacción en invierno. Figura 27: Esquema global de calefacción. Fuente: Samuel Iglesias 2010. |Qf |= Qc - W (5.15) Donde:  Qf es la potencia térmica a absorber en el intercambiador enterrado (W).  W es la potencia eléctrica absorbida de la red (W).  Qc es la potencia térmica a ceder al local a climatizar (W). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 53 Si este flujo de calor se expresa por unidad de longitud de intercambiador enterrado se tiene: |qf |= 𝑄𝑓 𝐿𝑐 (5.16) Donde:  qf es la potencia térmica por unidad de longitud a absorber (W/m).  Lc es la longitud de intercambiador enterrado (m). En el intercambiador se tiene: Figura 28: Balance en el intercambiador enterrado. Fuente: Samuel Iglesias 2010. |qf |= 𝑇𝑠−𝑇𝑓 𝑅𝑇 (5.17) Donde:  RT es la resistencia térmica del conjunto (mK/W).  Tf es la temperatura en el seno del fluido (K).  Ts es la temperatura en la superficie del intercambiador (K). Conociendo el valor de RT, que se ha explicado en el apartado anterior y sustituyendo la ecuación 5.15 en 5.16 e igualando 5.16 a 5.17 obtenemos: 𝑄𝑐−𝑊 𝐿𝑐 = 𝑇𝑓−𝑇𝑠 𝑅𝑇 (5.18) Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 54 de donde podemos despejar Lc: Lc = 𝑄𝑐+𝑊 ·𝑅𝑇 𝑇𝑓−𝑇𝑠 (5.19) y sustituyendo el valor de RT en 5.19, se obtiene la longitud necesaria de intercambiador enterrado, 5.20. Lc = 𝑄𝑐+𝑊 ·(𝑅𝑡+𝑅𝑠·𝐹𝑢,𝑐) 𝑇𝑠−𝑇𝑓 (5.20) Si además se toman las temperaturas mínimas para obtener el caso extremo, TMIN del fluido y TL del suelo, y se expresan las potencias en función del COP de la bomba de calor, se obtienen las expresiones que describen el método IGSHPA: COP = 𝑄𝑐 𝑊 (5.21) Qc -W=Qc·𝐶𝑂𝑃−1 𝐶𝑂𝑃 (5.22) Finalmente se obtiene que la longitud del intercambiador necesaria para el régimen de calefacción es: Lc = 𝑄𝑐·𝐶𝑂𝑃−1 𝐶𝑂𝑃 ·(𝑅𝑡+𝑅𝑠·𝐹𝑢,𝑐) 𝑇𝑀𝐼𝑁− 𝑇𝐿 (5.23) La longitud que se empleará en el sistema será la mayor de las obtenidas en regímenes de refrigeración y calefacción, para cumplir así las especificaciones en las dos estaciones. 5.6. Elección del material de relleno. El material de relleno se ubica en el espacio anular que queda entre las tuberías del intercambiador de calor y las paredes del hueco del sondeo (Guía Técnica de Sondeos Geotérmicos Superficiales, 2009). Debe obtener un buen contacto térmico entre el intercambiador vertical y el terreno, que asegure el transporte de calor del terreno al fluido caloportador durante la época de extracción de energía térmica y en sentido contrario durante la inyección de energía térmica al subsuelo. Además, debe cerrar el sondeo desde la superficie para evitar la entrada de contaminantes externos y sellar los Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 55 acuíferos que hayan podido ser atravesados durante la perforación. Las propiedades más importantes que debe reunir el material de relleno para sondeos geotérmicos son:  Elevada conductividad térmica.  Baja permeabilidad.  Buena adhesión a la sonda y al terreno.  Elevada resistencia a las heladas.  No ser perjudicial para las aguas subterráneas. La elección de un material para relleno dependerá de las condiciones geológicas del terreno atravesado por el sondeo y de las medidas que sea preciso tomar para preservar la calidad de las aguas subterráneas. En la siguiente tabla se muestra los materiales de relleno más comunes y sus conductividades térmicas. MATERIAL Conductividad térmica Facilidad de Impacto producido (W/mK) bombeo por la helada Arena saturada de agua 1,7 - 2,5 - Arena seca 0,3 - 0,6 - Arcilla 0,9 - 1,4 Mala Existe Bentonita (1,3 g/cm3) 0,7 Buena Alto Bentonita con arena 1,4 - 1,8 Mala Medio Bentonita - cemento 0,6 - 1,0 Buena Bajo Lechada térmicamente mejorada 1,6 - 2,0 Buena Bajo Tabla 13: Materiales de relleno. Fuente: Guía Técnica de Sondeos Geotérmicos Superficiales, 2009. En el mercado existen materiales para el sellado en forma de pellets, cuyo componente principal es bentonita, a la que se puede añadir grafito para aumentar la conductividad térmica del producto. Los pellets de bentonita térmicamente mejorados poseen conductividad térmica e impermeabilidad elevadas y una expansión superior al 35% con lo que se consigue un sellado eficaz entre la sonda geotérmica y el terreno. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 62 La expresión 7.1 parece lógica siguiendo un sencillo razonamiento. Tal y como se muestra en la figura se tiene: Figura 33: Energía renovable en régimen de calefacción. Fuente: Guía técnica del IDAE sobre bombas de calor geotérmicas. 𝑄𝑢𝑠𝑎𝑏𝑙𝑒 = |𝑄𝑐| (7.3) 𝑆𝑃𝐹=|𝑄𝑐| 𝑊 (7.4) Sustituyendo en 7.1 queda: 𝐸𝑅𝐸𝑆 = 𝑄𝑐 · 1−𝑊 𝑄𝑐 = 𝑄𝑐 · 𝑄𝑐 −𝑊 𝑄𝑐 = 𝑄𝑐 · 𝑄𝑓 𝑄𝑐 = 𝑄𝑓 (7.5) Se deduce que se considera energía renovable únicamente a la energía térmica que se absorbe del terreno, 𝑄𝑓 . La Comisión ha dejado de plazo hasta el 1 de enero de 2013 para que los Estados miembros establezcan los valores y métodos de cálculo para Qusable y para SPF. La directiva no lo indica expresamente, por lo que puede quedar la duda de si el valor del SPF debe hacer referencia al COP medio estacional de la instalación proyectada, incluyendo la bomba de calor y sus equipos auxiliares, y sirviendo al edificio concreto del proyecto, o hacer referencia a un valor estándar del equipo, calculado según una norma (M. Zamora et al, 2012). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 63 Cuando hablamos del rendimiento medio estacional en régimen de calefacción, nos estamos refiriendo al HSPF (Heating Seasonal Performance Factor), mientras que si hablamos del rendimiento medio estacional en régimen de refrigeración nos estamos refiriendo al CSPF (Cooling Seasonal Performance Factor): 𝐻𝑆𝑃𝐹= 𝑄𝑕,𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑊𝑕,𝑖 𝑛 𝑖=1 (7.6) 𝐶𝑆𝑃𝐹= 𝑄𝑐,𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑊𝑐,𝑖 𝑛 𝑖=1 (7.7) Donde Q representa la carga térmica proporcionada por el sistema en calefacción (h) o refrigeración (c) para el mes i y W es el consumo eléctrico del sistema para cada modo y mes. Con objeto de cuantificar los órdenes de magnitud que han sido requeridos en cuanto a rendimiento medio estacional para cumplir la normativa, se ha calculado la ecuación 7.2 a partir de los datos medios europeos del EUROSTAT de producción bruta total de electricidad y consumo de energía primaria para la producción de electricidad. Los datos que se han encontrado en la web van del año 1990 al año 2010. En la tabla 15 se observa el valor de η, con el cual se calcula el valor mínimo del SPF para que el sistema GSHP cumpla con la ecuación 7.2 y se considere que parte de su energía es renovable. En la gráfica 12 podemos observar la evolución que ha tenido el SPF mínimo en los últimos años. Ha habido un gran decrecimiento de este factor, debido a que ha disminuido mucho más el consumo de energía primaria para producción de electricidad de lo que ha aumentado la generación bruta total de energía eléctrica (aumento del factor η). Esto en parte se debe al aumento en Europa de la generación de electricidad por parte de energías renovables y una mayor eficiencia. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 64 Gráfica 11: Evolución de η en los últimos años. Fuente: Elaboración propia a partir de datos de EUROSTAT. Gráfica 8: Evolución del SPF mínimo en los últimos años. Fuente: Elaboración propia a partir de datos de EUROSTAT. 0,4 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Título del eje Año Evolución de η 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 SPFmín Año Evolución de SPFmín Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 65 EU-27 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Producción total bruta de electricidad (PJ) 9.244 9.402 9.336 9.350 9.504 9.767 10.121 10.172 10.392 10.492 10.788 Consumo primario de energía para la producción de electricidad (PJ) 22.829 23.288 22.984 22.852 23.039 23.656 24.400 24.359 24.651 24.794 25.223 η (eta) 0,4049 0,4037 0,4062 0,4092 0,4125 0,4129 0,4148 0,4176 0,4216 0,4232 0,4277 SPFmínimo 2,84 2,8486 2,8312 2,8105 2,7878 2,7853 2,7724 2,7539 2,728 2,7175 2,6888 EU-27 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Producción total bruta de electricidad (PJ) 11.080 11.158 11.477 11.717 11.790 11.949 12.002 12.024 11.440 11.931 Consumo primario de energía para la producción de electricidad (PJ) 25.950 26.227 26.512 26.902 26.799 27.120 27.307 26.924 25.351 26.206 η (eta) 0,427 0,4254 0,4329 0,4355 0,4399 0,4406 0,4395 0,4466 0,4513 0,4553 SPFmínimo 2,6934 2,7031 2,6566 2,6404 2,614 2,6101 2,6166 2,5751 2,5483 2,526 Tabla 15: Rendimiento medio estacional mínimo para cumplir la directiva europea. Fuente: Eurostat tabla η. Datos obtenidos a fecha 18/11/2012 en: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/energy/other_documents Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 66 7.1. Estimación del rendimiento medio estacional en bombas de calor acopladas al terreno. Para obtener el rendimiento medio estacional real de una instalación con bomba de calor acoplada al terreno se hace necesario monitorizarla para tener en cada momento la demanda energética, el consumo energético y el factor de utilización, de modo que el cálculo será exacto. Otra posibilidad de obtener un valor más o menos preciso es mediante el uso de programas de simulación energética en edificios, como se puede hacer en los programas TRNSYS o Design Builder entre otros, aunque esta simulación no es fácil. Recientemente Miguel Zamora et al (2012), ha propuesto unas aproximaciones sencillas del lado de la seguridad para la determinación del SPF. 7.1.1. Aproximación al SPF a partir del rendimiento de diseño calculado según el método IGSHPA. El COP instantáneo de diseño, calculado según el método IGSHPA, es un valor suficientemente conservativo para el SPF. En el método IGSHPA se calcula la longitud del intercambiador necesaria para satisfacer la demanda pico de la instalación en el momento más desfavorable, es decir, al final de la temporada de calefacción. En ese momento el COP es mínimo. A lo largo del resto de la temporada las condiciones exteriores serán mejores y el terreno no estará tan afectado térmicamente como por el propio uso de la bomba de calor, por lo que el COP instantáneo será mayor. Por lo tanto, el SPF estacional de calefacción, que es la integral del COP instantáneo, solo puede ser mayor o igual que este COP mínimo, pudiendo ser usado para calcular la contribución de energía renovable mínima según la fórmula de la directiva. 7.1.2. Corrección por funcionamiento a carga parcial. Como se ha visto en el capítulo 5, el método IGSHPA tiene en cuenta el funcionamiento a carga parcial de la bomba de calor mediante el factor de utilización. A la hora de computar el SPF e integrar el consumo del equipo de climatización a lo largo de toda la temporada, también será necesario computar el efecto de la carga parcial en el consumo del equipo. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 67 Está plenamente admitida por la comunidad científica la separación de variables al evaluar la dependencia del COP en equipos de climatización con las temperaturas y con el grado de carga parcial. De tal forma que el COP en un instante se puede expresar como: COP(Tas,Fu) = COP(Tas)*f(Fu) (7.8) Donde:  f: es la función de dependencia del COP con el grado de carga parcial o factor de utilización. Si se dispone de una cota inferior para ese valor de f(Fu) puede obtenerse un nuevo COP mínimo más conservativo que tenga en cuenta los efectos de funcionamiento a carga parcial: COP(Tas,Fu)min = COP(Tas)min*f(Fu)|min (7.9) Donde:  COP(Tas)min = COP mínimo calculado por el método IGSHPA. Según la norma prEN 14825 y Teresa Magraner et al (2010) se propone que f(Fu) se calcule con la siguiente expresión: f(Fu) = 1-Cd·(1-Fu) (7.10) Donde:  Cd es el coeficiente de degradación que corresponde al valor de la corrección al 20% de carga parcial. Como dato representativo para las bombas acopladas al terreno se propone Cd=0.15. Para obtener f(Fu)|min se deberá introducir un factor de utilización mínimo (Fumin) en la expresión 7.7. 7.1.3. Corrección por consumos de las bombas de circulación de agua. La Unión Europea ha dado de plazo hasta el 1 de enero de 2013 para establecer los métodos de cálculo de SPF. Está por regular o normalizar, por ejemplo, como incluir los consumos eléctricos de las bombas de circulación de agua. Resulta más ajustado a la realidad el computar los consumos totales de las bombas. El COP mínimo calculado por el método IGSHPA puede modificarse incorporando el consumo de bombeo de la siguiente forma simplificada: Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 68 COP = 𝑄𝑐 𝑃𝑎 = 𝑄𝑐 𝑃𝑎𝑐𝑜𝑚𝑝 +𝑃𝑎𝑏𝑜𝑚𝑏 (7.11) Siendo:  Qc la potencia térmica suministrada por la bomba de calor acoplada al terreno (W).  Wcomp la potencia eléctrica consumida por el compresor (W).  Wbomb la potencia eléctrica consumida por las bombas de circulación (W). Ahora bien, se puede hacer la siguiente simplificación: 1 𝐶𝑂𝑃= 𝑃𝑎 𝑄𝑐= 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 +𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏 𝑄𝑐= 1 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝 + 𝛼 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝 𝐶𝑂𝑃=𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝 ·1 1+𝛼 (7.12) Siendo: 𝛼= 𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 (7.13) Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 69 8. Aumento/disminución de la temperatura del terreno a largo plazo. Uno de los principales problemas que están surgiendo en los sistemas GCHP es que no se cumple el balance térmico del terreno, lo que implica que la temperatura de este se va a ir incrementando o decreciendo con el paso del tiempo. Esto se debe a que no se inyecta la misma cantidad de energía térmica que se extrae o viceversa, pudiendo ocurrir con mayor frecuencia en instalaciones con un régimen estacional mayor que otro:  Si un edificio tiene una mayor demanda de refrigeración que de calefacción, la temperatura del terreno va a ir aumentando a lo largo del tiempo, con lo que el rendimiento medio estacional de refrigeración (CSPF) disminuirá pero el rendimiento medio estacional de calefacción aumentará (HSPF), tal y como se puede observar en el gráfico 13.  Al contrario, en un edificio con mayor demanda de calefacción que de refrigeración, la temperatura del terreno irá disminuyendo, y en consecuencia el HSPF disminuirá mientras que el CSPF aumentará. Se puede afirmar que este fenómeno se ha convertido en uno de los mayores inconvenientes de los sistemas GCHP. Gráfico 13: Evolución del HSPF y CSPF cuando hay desequilibrio en el balance térmico del terreno. Fuente: Teresa Magraner 2010. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 70 8.1. Influencia del régimen intermitente. Con el fin de optimizar la condición de funcionamiento del sistema, se necesita algún tiempo para que el terreno se “recupere”, esto es que el terreno recupere su temperatura inicial. Yong Wang et al (2012) presenta un estudio sobre distintos modos de funcionamiento del sistema GCHP en régimen intermitente con el objetivo de analizar la influencia de este régimen en el balance térmico del terreno. Para ello lleva a cabo una simulación en un edificio de oficinas de cuatro plantas de 3273 m2, de los cuales se climatizan 1369 m2 situado en Chongqing (China) donde las temperaturas son cálidas en verano y frías en invierno. La instalación está formada por 48 pozos verticales en U simple con 80 metros de profundidad y una distancia entre pozos de 4m. Los tubos son de polietileno, con 0,032m de diámetro exterior y 0,026m de diámetro interior, y la distancia entre los tubos es 0,05m. Los parámetros físicos de los distintos materiales fueron los siguientes: Material Densidad (kg/m3) Conductividad térmica (W/mK) Calor específico (J/kgK) Tubo de PE 950 0,44 1000 Terreno 2570 2,035 921,1 Material de relleno 1600 1,5 1200 Tabla 16: Datos del estudio realizado por Yong Wang. Fuente: Yong Wang et al, 2012. La metodología que emplea se divide en dos modelados: uno en 2D, que está basado en el modelo matemático del foco lineal y por ello hace una simulación anual; otro en 3D, introduciendo un modelo matemático distinto cuyas ecuaciones gobernantes aparecen en su artículo, con una duración semanal (del 1 al 7 de julio). Los programas utilizados son:  DeST para establecer el modelo de cargas térmicas necesarias en el edificio y calcular las cargas horarias.  Gambit para el modelado geométrico y el mallado computacional del pozo en el modelo de la transferencia de calor. Realiza el modelado para Fluent.  Fluent (Software de dinámica computacional de fluidos) para la simulación numérica. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 71 Los modos de operación semanales se describen a continuación: - Modo 1: 7 días en régimen continuo. - Modo 2: 6 días en régimen continuo y 1 en régimen intermitente. Factor de utilización 1. - Modo 3: 5 días en régimen continuo y 2 en régimen intermitente. Factor de utilización 0.7. Operación intermitente cuando se dan las cargas pico. - Modo 4: 2 días en régimen continuo, 2 en régimen intermitente y 3 en continuo. Operación intermitente cuando se dan las cargas valle. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente gráfica: Gráfica 14: Incremento de la temperatura semanal del terreno en diferentes modos de operación. Fuente: Yong Wang et al (2012). Como se puede observar, el que menor incremento de temperatura tiene finalmente es el modo 3, debido a que los dos últimos días se encuentra en régimen intermitente. Deducimos que con la operación intermitente podemos volver a reducir en pocas horas la temperatura del terreno. En cuanto a los modos de operación anuales, se describen a continuación: - Modo 5: régimen continuo en período de refrigeración de junio a septiembre, régimen intermitente durante octubre y noviembre, régimen continuo en periodo de calefacción de diciembre a febrero y régimen intermitente de marzo a mayo. Ratio del desequilibrio refrigeración/calefacción 4,2:1. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 78 5. Radiación solar. Este parámetro influye en los metros inmediatamente inferiores a la superficie, pero no en grandes profundidades (mayores que 10 metros). Para distintos valores de la radiación solar se obtuvieron los siguientes resultados. Debemos tener en cuenta que la simulación se ha realizado para el caso de calefacción, por tanto el terreno se recuperará cuando se vuelva a calentar. Por este motivo, cuanto mayor sea la radiación solar, menor será el tiempo de recuperación del terreno. Gráfica 20: Tiempo de recuperación vs profundidad para distinta radiación solar. Fuente: Yan Shang, 2010. Tabla 21:Tiempo de recuperación a 45 metros para distinta radiación solar. Fuente: Yan Shang, 2010. 6. Temperatura ambiente. Nuevamente vemos otro parámetro exterior al terreno y que solamente tiene influencia en los primeros 10 metros aproximadamente. Como es lógico (en régimen de calefacción), cuando la temperatura exterior es baja, mayor será el tiempo de recuperación. Los resultados se muestran en la gráfica 21 y en la tabla 22. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 79 Gráfica 21: Tiempo de recuperación vs profundidad para distinta temperatura exterior. Fuente: Yan Shang, 2010. Tabla 22:Tiempo de recuperación a 45 metros para distinta temperatura exterior. Fuente: Yan Shang, 2010. 8.2.1. Conclusiones En primer lugar se ha de notar que, por parte del autor original, no coinciden los resultados mostrados en los gráficos con los mostrados en las tablas. No obstante, sigue siendo igualmente válido para estudiar cómo afectan los distintos parámetros. Tras 12 horas de funcionamiento de una GCHP se mide el tiempo de recuperación del terreno. La simulación se lleva a cabo en régimen de calefacción y todas las simulaciones están sometidas a las mismas condiciones de funcionamiento: velocidad del viento = 0,4 m/s; temperatura ambiente = 272K; temperatura media del fluido circulante por el GHE = 281 K. Los tiempos de recuperación mostrados numéricamente se refieren a una profundidad de 45 metros. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 80 La conductividad térmica del terreno, la porosidad y la difusividad térmica de los materiales de relleno tienen una gran influencia en la recuperación de la temperatura del terreno. La temperatura se recupera más rápido cuando la conductividad aumenta, la porosidad disminuye y el material de relleno es mortero de cemento (mayor difusividad térmica). Parámetro Idoneidad Valores estudio Resultado (h) Conductividad térmica ↑ 0,93 ; 1,1 ; 1,5 (W/mK) 4,89 ; 4,73 ; 4,13 Porosidad ↓ 0,2 ; 0,37 ; 0,47 4,21 ; 4,54 ; 4,73 Difusividad térmica ↑ 0,0032 ; 0,0025 ; 0,0023 (m2/s) 3,75 ; 4,37 ; 4,45 Tabla 23: Parámetros de gran influencia en la respuesta del terreno. Fuente: Elaboración propia a partir de los datos de Yan Shang, 2010. La temperatura del aire, la radiación solar y la velocidad del viento tienen un efecto menor. En régimen de calefacción, es más favorable una velocidad del viento baja y una radiación solar y temperatura ambiente altas. Para el caso de refrigeración es completamente al revés. Parámetro Idoneidad Valores estudio Resultado (h) Idoneidad calefacción refrigeración Velocidad del viento ↓ 0 ; 1 ; 3 (m/s) 4,73 ; 4,78 ; 4,75 ↑ Radiación solar ↑ 0 ; 0,6 ; 1 (kW/m2) 5,1 ; 4,87 ; 4,78 ↓ Temperatura ambiente ↑ 263 ; 267 ; 272 (K) 5,28 ; 5,24 ; 5,1 ↓ Tabla 24: Parámetros de leve influencia en la respuesta del terreno. Fuente: Elaboración propia a partir de los datos de Yan Shang, 2010. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 81 9. Sistemas híbridos. Los sistemas híbridos son combinaciones de varias tecnologías de climatización o sistemas de almacenamiento térmico, que se utilizan con el fin de obtener mejoras respecto al uso de una sola tecnología. Algunos de los problemas que plantea un sistema de bomba de calor acoplado al terreno es el coste de la inversión inicial o el aumento/disminución de la temperatura del terreno, lo que va a llevar a que a medio o largo plazo el sistema GSHP funcione con un rendimiento inferior. Los sistemas híbridos plantean una mejora de este rendimiento al complementar el sistema GSHP, permitiéndose utilizar varias tecnologías simultáneamente o intermitentemente, de manera que se pueda llegar a cumplir el balance de energía del terreno. Además, puede reducir el coste de inversión del sistema GSHP y de todo el sistema de climatización global, ya que será necesaria una menor potencia instalada de GSHP y por tanto menores costes de perforación y longitud del intercambiador acoplado al terreno, que es principalmente lo que encarece la instalación como se ha visto anteriormente. Según Teresa Magraner (2008), la instalación de un sistema híbrido permite: 1. Regenerar el terreno, permitiendo la recuperación de su temperatura. 2. Utilizar el foco de calor más eficiente. 3. Reducir el tamaño del intercambiador geotérmico. 4. Disminuir el tiempo de amortización de la instalación. 5. Mejorar la eficiencia de la instalación para obtener un ahorro energético considerable (20 – 40%) respecto a la instalación convencional. A continuación se describen varios sistemas híbridos, con esquemas de funcionamiento a modo de ejemplos y datos obtenidos en diversas instalaciones reales. 9.1. Sistema híbrido GCHP – colectores solares. Durante los últimos 25 años se han probado diferentes diseños de sistemas GCHP combinados con energía solar. En estos sistemas, los colectores solares pueden cumplir varias funciones: suministrar ACS, incrementar la temperatura del evaporador en la Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 82 bomba de calor, almacenar energía en el pozo, o una combinación de todas estas (X.Q. Zhai et al, 2011). Wang X. et al (2010) llevó a cabo un estudio experimental de estos sistemas en zonas climáticas frías. Instaló en Harbin (China, temperaturas severamente frías en invierno), un sistema de colectores solares con GCHP en una vivienda unifamiliar. Parte de la energía térmica solar se almacenaba en el terreno, dependiendo del modo de funcionamiento del sistema. Las medidas experimentales se llevaron a cabo de abril de 2008 a abril de 2009. La siguiente figura muestra el esquema de funcionamiento. Figura 35: Esquema del sistema GCHP-colectores solares con almacenamiento térmico solar estacionario. Fuente: Wang X. et al, 2010. Durante el año, el sistema funciona en 3 modos distintos, que están controlados automáticamente: - Modo 1: Almacenamiento térmico solar en el terreno. Se utilizó del 18 de abril (2008) al 14 de julio, y del 28 de agosto al 9 de octubre. Este modo se ponía en marcha cuando la temperatura de los tubos del colector solar era superior a una temperatura de consigna fijada (de 25 a 30ºC), entonces las bombas P1 y P3 se ponían en funcionamiento automáticamente y se inyectaba calor en el Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 83 terreno. Cuando la temperatura de los tubos era menor que la temperatura de consigna, las bombas se cerraban. - Modo 2: La mitad del intercambiador de calor acoplado al terreno refrigeraba directamente el edificio utilizando el suelo como almacenador, y la otra mitad funcionaba de la misma manera que el modo 1. Este modo estuvo operando del 15 de julio al 27 de agosto. El edificio estaba climatizado por suelo refrigerante. La condición de refrigeración se llevaba a cabo midiendo la temperatura interna del espacio climatizado y fijando dos temperaturas de consigna, una superior (26ºC) y otra inferior (24ºC). Cuando la temperatura de la vivienda era mayor que la temperatura de consigna superior, las bombas P2 y P4 se ponían en funcionamiento automáticamente. Cuando la temperatura de la vivienda era inferior a la temperatura de consigna inferior, las bombas P2 y P4 se apagaban. El almacenamiento de energía solar térmica en el terreno se llevaba a cabo igual que en el modo 1. - Modo 3: los colectores solares y la GCHP calentaban el edificio alternativamente. Este modo funcionó del 10 de octubre al 15 de abril (2009). El arranque y parada del sistema estaba controlado por la temperatura de los tubos del colector y la temperatura del interior de la vivienda. Si la temperatura de los tubos era mayor que la de consigna, los colectores solares calentaban al edificio directamente comenzando a funcionar las bombas P1 y P2, y si la temperatura era menor dejaban de funcionar. Respecto a la GCHP, cuando la temperatura en el interior del edificio era menor que la de consigna se abrían P2 y P3, y cuando era menor dejaban de funcionar. En el tiempo de funcionamiento del sistema se tomaron las medidas de las temperaturas del fluido (agua con anticongelante) a la entrada y salida del intercambiador de calor acoplado al terreno, del condensador, la temperatura media en el interior y exterior de la vivienda, la potencia suministrada y la potencia consumida. Como resultados relevantes, el COP medio en modo calefacción fue 6,14, mientras que en el modo refrigeración el COP medio fue 21,35 (free cooling, solo consumo de bomba de circulación). En el caso de la refrigeración se tiene que la carga necesaria es mucho menor que en el caso de calefacción, y como además no interviene la GCHP se ahorra una gran cantidad de energía en el consumo eléctrico, con lo cual el COP de refrigeración se dispara. Se demuestra que este tipo de instalación es válida para una vivienda unifamiliar en una zona climática fría, y que el calor suministrado directamente por los colectores solares fue del Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 84 49,7 % del total de la carga de calefacción suministrada, con lo que se ahorró consumo eléctrico y se elevó el COP del sistema. Por otro lado, el balance térmico al terreno muestra que año a año se va incrementando la temperatura del mismo, de modo que después de algunos años se alcanzará una temperatura más adecuada para el sistema, y en ese momento se deberá reducir el tiempo de operación de los colectores solares para cumplir el balance térmico. Yuehong Bi (2004), llevó a cabo un estudio teórico y experimental en China sobre una instalación que podía alternar tres formas de cubrir las demandas térmicas del edificio: una bomba de calor que intercambiaba calor con la radiación solar, un sistema GCHP y un sistema híbrido de GCHP con colectores solares. Los resultados que obtuvo fueron los siguientes: - Para la bomba de calor intercambiando con la radiación solar, la carga promedio de calefacción suministrada fue de 2334 W y el COP fue de 2,73. - Para el caso del sistema GCHP, la carga promedio de calefacción suministrada fue de 2298 W y el COP 2,83. - Para el sistema híbrido GCHP con colectores solares, la carga promedio de calefacción suministrada fue de 2316 W y el COP 2,78. Con lo que demostró la viabilidad del sistema híbrido. Por su parte, Elisabeth Kjellsson (2010) realizó un estudio en Suecia sobre la optimización del sistema híbrido que nos ocupa en una vivienda unifamiliar. Afirma que hay tres motivos para añadir colectores solares al sistema GCHP: la menor necesidad de energía eléctrica, el aumento de la temperatura de los pozos (beneficioso en climas fríos) y la menor necesidad en la cantidad neta de extracción de calor del terreno. Para utilizar menos energía eléctrica, determina que la mejor opción es producir ACS en verano y en invierno ceder la energía de los colectores al terreno. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 85 Figura 36: Vivienda unifamiliar con colectores solares y GCHP. Fuente: Elisabeth Kjellsson (2010) 9.2. Sistema híbrido GCHP – torre de refrigeración. La energía térmica inyectada por los sistemas GCHP en el terreno cuando operan en régimen de refrigeración, hacen que se acumule un exceso de “calor” en el terreno, llevando a la degradación del funcionamiento del sistema. Este calor acumulado se puede atenuar con una torre de refrigeración. H. Zhang (2010) comparó en un mismo edificio, en un lugar de China cálido con grandes necesidades de refrigeración, cinco sistemas distintos para cubrir una carga de refrigeración de 1900 kW y una carga de calefacción de 1300 kW. Decidió dimensionar el intercambiador enterrado de acuerdo a las necesidades de la carga de calefacción. Los distintos sistemas fueron un sistema híbrido GCHP – torre de refrigeración, una enfriadora de agua y un quemador de gas, una bomba de calor intercambiando con el aire, un enfriador de agua con una bomba de calor intercambiando con el aire y una enfriadora por absorción de gas con bromuro de litio. Sus resultados muestran que el coste inicial del sistema GCHP – torre de refrigeración es mucho más elevado que el resto, pero los costes de operación y mantenimiento anuales son mucho menores. Un esquema a modo de ejemplo para este sistema lo dio Yi Man et al (2010), llevando a cabo una simulación en Hong Kong, eligiendo la capacidad de la torre de Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 86 refrigeración de acuerdo con la diferencia entre la carga pico y el valor promedio de las cargas de refrigeración anuales. Figura 37: Esquema de un sistema hibrido GCHP – torre de refrigeración. Fuente: Yi Man et al (2010). El agua generada en la torre de refrigeración intercambia calor con el agua que circula por los pozos cuando sea necesario controlar el aumento de temperatura del terreno. Además este esquema cuenta con suministro de ACS, aprovechando el calor del fluido a la salida del compresor del ciclo Rankine y con una resistencia térmica suplementaria. En su estudio, Yi Man determinó que se podría ahorrar un 34% en el coste inicial, un 22% en el coste de operación en el primer año de funcionamiento y hasta un 53% del coste de 10 años en funcionamiento comparando el sistema híbrido con un sistema GCHP tradicional. 9.3. Sistema híbrido GCHP – almacenamiento térmico. Como se ha visto en el apartado 9.1. la energía solar se puede utilizar para conseguir un almacenamiento de calor estacional en el terreno en las estaciones en las que no es necesaria la calefacción. Sin embargo también se pueden utilizar diversas tecnologías para el almacenamiento de frío. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 87 W. Wei et al, (2007) propuso instalar un sistema GCHP combinado con un tanque de almacenamiento de hielo en el interior del terreno. El esquema de la instalación se muestra en la figura 38. Figura 38: Esquema sistema GCHP – almacenamiento térmico. a) régimen de refrigeración y b) régimen de calefacción. Fuente: W. Wei et al, (2007). La instalación tenía dos modos de funcionamiento para refrigeración. Cuando no había picos de demanda, el sistema intercambiaba calor con el tanque de hielo y además refrigeraba el recinto mediante fancoils, pero cuando había picos de demanda se utilizaba el tanque de hielo para refrigerar más el fluido circulante que debe pasar por el fancoil. Respecto al régimen de calefacción el esquema era un sistema GCHP que suministraba la carga necesaria mediante un suelo radiante. W. Wei comparó este sistema con una instalación convencional de calefacción y refrigeración, y afirmó que respecto al coste de operación se podía reducir de un 42,7 a un 71,4 % en verano y en un 50% en invierno. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 94 MISOLTER S.L. Illueca - Zaragoza --- Ingeniería, Instalador, Mantenimiento Climatización total. Suelo radiante calor y frío. MODELCO S.L. / MODELCO GROUP S.L. 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SERVICAL SL Boecillo - Valladolid --- Bombas de Calor, Sondas, Distribuidor Sistemas Sofath Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 95 SIALTEC Les Preses - Gerona www.sialtec.cat Test de respuesta térmica (TRT) Diseño y cálculo sondas geotérmicas SLECE Astigarraga - Guipúzcoa www.slece.com Sondeos SOFATH THERMATIS TECHNOLOGIES Portes les Valences - FRANCIA www.sofath.com FABRICANTE Equipos geotermia baja entalpía. SOFITA VIRTUS, S.A. Gijón - Asturias www.sofitavirtus.com Ingeniería, Instalador eficiencia energética. Certificación Energética. Auditoria Energética. SOLIGAS, S.L. Las Rozas - Madrid www.soliclima.com Geotermia, E. Solar Térmica, E. Solar Fotovoltaica, Biomasa, Climatización de Piscinas, Eficiencia Energética: Sondeos, Equipos, Ingeniería, Instaladores SOLUCIONES TÉCNICAS EN PERFORACIÓN, S.L. Ciempozuelos - Madrid www.solutecsl.com SOLUGEO, PROYECTOS Y CONSTRUCCIÓN DE INSTALACIONES GEOTÉRMICAS S.L. 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Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 96 SUTEVAR, S.L. San Fernando de Henares - Madrid www.sutevar.com Empresa dedicada al suministro, alquiler y reparación de maquinaria y accesorios de perforación. TECAPIMA 2010, S.L. Madrid www.tecapima.com Instaladora y mantenedora de energías renovables: geotérmica, solar térmica, biomasa y sistemas tradicionales TECOP S.A. Cerceda - Madrid www.tecopsa.com Venta, alquiler, reparación de equipos de perforación para la instalación de sondas geotérmicas. Equipos TRT. Sondas.” TERMOTERRA Madrid www.termoterra.es Sondeos, Ingeniería, Instalador de Proyectos “llave en mano” TUBKAL INGENIERÍA, S.L. Zaragoza www.tubkal.com Sondeos e Ingeniería UGARRIZA Berango - Vizcaya www.ugarriza.com Geotermia Alta Entalpía UPONOR HISPANIA, S.A. Alcorcón -Madrid www.uponor.es Fabricante de soluciones de Climatización Invisible VAILLANT,S.L.U. 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Diseño y ejecución de sistemas de aprovechamiento geotérmico directos e indirectos (bombas de calor). Test de Respuesta Térmica. ZETA ALMATEA Zaragoza www.amaltea.com Ingeniería y consultoría geológica y ambiental Tabla 26: Empresas en el ámbito de la geotermia en España. Fuente: fenercom. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 97 10.1. Dolmen Ingeniería, Geoscan y Soluciones Geotérmicas. Dolmen Ingeniería (Zaragoza) es una empresa independiente de ingeniería y asesoramiento técnico que desarrolla su actividad fundamentalmente en los sectores de la edificación industrial y las instalaciones. Está formada por un equipo multidisciplinar de ingenieros industriales con una extensa experiencia en el desarrollo y gestión de proyectos de diversa índole dentro del sector industrial. La empresa ha fomentado siempre el desarrollo de una visión energética de todos sus proyectos. Desde la fase de proyección hasta la gestión posterior de obras e instalaciones se tienen en cuenta los costes energéticos involucrados y la forma de optimizarlos mediante mejoras en el diseño, equipos más eficientes o un uso más racional de los mismos. Para ello han adquirido un profundo conocimiento del sector energético actual y del emergente desarrollo de las energías renovables y, en particular, de la energía geotérmica. Figura 39: Logo Dolmen Ingeniería. Fuente: dolmeningenieria.com Geoscan Consultoría (Zaragoza) se crea en 2002 por un grupo de profesionales del sector de la mecánica de suelos y del medio ambiente, que venían trabajando en distintas empresas del sector. La empresa está dedicada a la consultoría en materia de la geología aplicada y el medio ambiente, proponiendo soluciones técnicas a la interacción entre el medio natural y el constante desarrollo de la sociedad actual, en cualquiera de sus ámbitos. Desde 2.006, viene colaborando con Dolmen Ingeniería en distintos ámbitos de trabajo, y desarrollando una labor conjunta en temas de I+D+i. Figura 40: Logo Geoscan. Fuente: geoscan.es Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 98 Soluciones Geotérmicas nace de la unión de Dolmen Ingeniería y Geoscan Consultoría, ofreciendo los siguientes servicios:  Estudios preliminares de aprovechamiento de energía geotérmica: Estudio energético previo evaluando la inversión, amortización y viabilidad de la instalación.  Proyectos de climatización/calefacción mediante energía geotérmica: Diseño óptimo de captación de sondas geotérmicas, elección de la ubicación idónea de los sondeos así como su profundidad y características, diseño de bombas de calor necesarias y equipamiento auxiliar para conexión a instalación de calefacción/climatización.  Test de Respuesta Térmica (TRT): Ensayos realizados in-situ para grandes instalaciones que permiten comprobar el rendimiento del sistema de aprovechamiento de energía.  Gestión del sistema de energía geotérmica: Gestionan la contratación de la ejecución de la instalación completa: la ejecución de los sondeos, la bomba de calor y equipamiento exterior e incluso la instalación de calefacción/climatización interior del edificio.  Dirección de obra: Todos los proyectos incluyen la dirección facultativa que garantiza que las obras e instalaciones se ejecutan con respecto a las directrices del proyecto asegurando un adecuado funcionamiento del sistema. Figura 41: Logo Soluciones Geotérmicas. Fuente: solucionesgeotermicas.es. Soluciones geotérmicas lleva a cabo tareas de investigación y desarrollo (I+D+I) de modelos matemáticos para el diseño de sistemas geotérmicos eficientes. Los modelos matemáticos integran los distintos fenómenos físicos de relevancia tales como la transferencia de calor y el flujo subterráneo y en tubería. El objetivo es diseñar sistemas geotérmicos eficientes y específicamente adaptados a las necesidades de cada caso en particular, en función del emplazamiento geológico y de las necesidades específicas de cada edificio. Realizan modelados de fenómenos de transporte en el terreno mediante Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 99 herramientas numéricas (método de los elementos finitos y método de las diferencias finitas), utilizando el programa Comsol multiphysics. Las ventajas del modelado frente a método de cálculo simplificados son las siguientes:  Comportamiento a largo plazo.  Interacción entre sondas.  Influencia de la conducción-convección.  Interacción con la bomba de calor, sabiendo las temperaturas de entrada y salida del fluido caloportador del GHE. Todo ello con el fin de obtener un dimensionamiento óptimo de la instalación, analizando la máxima capacidad de aprovechamiento del sistema sin producir su agotamiento a largo plazo. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 100 11. Software. Dentro del software empleado en el sector de la climatización por geotermia, distinguimos dos tipos: el primer tipo son programas dedicados a calcular las cargas térmicas necesarias para el espacio a climatizar y simular instalaciones geotérmicas; el segundo tipo son programas que se centran en el cálculo de los intercambiadores de calor enterrados. Dentro del primer tipo existen numerosos programas, aunque los más empleados son eQuest, Energy 10, DOE2, VISUALDOE, ECOTECT, EnergyPlus, TRNSYS, COMSOL multiphysics, etc. Algunos de estos programas también permiten llevar a cabo el diseño de la instalación geotérmica. Dentro del segundo tipo nos encontramos los programas Earth Energy Designer (EED), GEO2 y Ground Loop Design (GLD). A continuación se va a proceder a realizar una descripción de cada uno de estos programas, ya que se ha podido conseguir una versión demo para el caso de EED y GLD, y la versión del programa completo de GEO2. Dentro de este tipo, cabe destacar otro programa llamado GLHEPRO, cuyo uso está bastante extendido, pero no ha sido posible obtener una demo. No obstante, también se realiza una breve descripción del mismo. 11.1. GLHEPRO. Es un programa diseñado para dimensionar intercambiadores enterrados verticales (hvac.okstate). Se puede utilizar tanto para instalaciones residenciales como para comercios o espacios más grandes. Determina la profundidad de los pozos, y además también trata con sistemas híbridos, calculando además del intercambiador la energía suplementaria que debe aportar el otro sistema (torre de refrigeración, colector solar, etc.). Los datos a introducir por el usuario son las cargas térmicas necesarias, las propiedades del terreno, la configuración del intercambiador enterrado y datos sobre la bomba de calor seleccionada (para estos últimos 3 casos, GLHEPRO dispone de una base de datos). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 101 11.2. Earth Energy Designer (EED). Se trata de un software para el diseño de intercambiadores de calor enterrados verticales. Es apto tanto para instalaciones pequeñas como para instalaciones a gran escala, llegando a diseñar instalaciones que cuentan hasta con 1200 pozos. También calcula la resistencia térmica del pozo a partir de los datos necesarios: geometría de la perforación y de las tuberías, material de las tuberías, etc. Contiene una base de datos con 798 configuraciones de modelos para la perforación del terreno. EED está basado en un modelo de resolución numérica del flujo de calor en combinación con las llamadas funciones-g, que dependen de la geometría del pozo (buildingphysics). Datos de entrada: 1. Propiedades térmicas del suelo: conductividad térmica, capacidad calorífica volumétrica, temperatura de la tierra y el flujo geotérmico que se puede sacar el terreno por unidad de superficie. Figura 42: Propiedades térmicas del terreno a introducir, EED. Fuente: Elaboración propia. EED cuenta con una extensa base de datos, de modo que de cara a realizar un preestudio para el dimensionado de una instalación sería válido escoger dichos datos, pero para realizar el dimensionado definitivo será necesario contar con los resultados de un test de respuesta térmica e introducirlos manualmente en las casillas expuestas en la figura 42. En la siguientes figuras se muestran algunos de los datos que EED tiene en su base de datos para rellenar la tabla de propiedades del suelo. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 102 Figura 43: Base de datos EED, entrada propiedades del suelo. Fuente: Elaboración propia. 2. Datos sobre el pozo y el intercambiador de calor. En esta nueva ventana se introduce el tipo de intercambiador, se puede elegir entre coaxial, simple U, doble U y triple U (en la figura 45 se observa la configuración triple U). Como se ha comentado anteriormente, EED dispone de 798 configuraciones de disposiciones de los pozos a elegir, entre los que se encuentran configuraciones lineales, en forma de L, en forma de doble L (figura 44), configuración en U, en rectángulo abierto y en rectángulo cerrado. Figura 44: Ejemplo de configuración en doble L, EED. Fuente: Elaboración propia. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 103 Figura 45: Datos a introducir del pozo e intercambiador de calor, EED. Fuente: Elaboración propia. Aunque EED puede hallar la profundidad de los pozos, se puede introducir manualmente para que luego calcule con esa profundidad introducida la temperatura media del fluido anualmente. En cuanto al diámetro, también cuenta con una base de datos, aunque se puede introducir manualmente. Otra opción que ofrece para afinar más el resultado es añadir la resistencia térmica de contacto que existe entre la tubería y el material de relleno. En la figura 46 se muestran diversos materiales de rellenos a elegir. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 110 5. Intercambiador geotérmico. Se dispone de configuraciones horizontales simples y dobles, y dentro de estas en serie o paralelo. En el caso de la configuración vertical surge un inconveniente, pues solo se pueden colocar los pozos formando una fila o rectángulos cerrados, quedando excluidas las posibilidades de colocarlos en L, L doble, U, rectángulo abierto... Dentro de este apartado, se puede seleccionar la opción de que el intercambiador sea en simple o doble U. En la figura 54 se muestran las distintas configuraciones y los parámetros a rellenar en el programa para definir cada una (D, P, N, P1...). Figura 54: Configuraciones de los intercambiadores en GEO2. Fuente: Elaboración propia. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 111 6. Tuberías y colector. GEO2 distingue entre los tubos del GHE y el colector, que son los tubos entre la bomba de calor y el GHE. Los datos a introducir en este apartado son los materiales de dichos tubos y su presión nominal, en caso de querer seleccionar los materiales estándar que hay en la base de datos. Si por el contrario se prefiere definir los tubos manualmente, se debe introducir el diámetro nominal, o bien el diámetro interior y exterior. Es obligatorio poner la longitud de los tubos del colector. 7. Accesorios. Se puede calcular la pérdida de carga de todo el circuito. Existen dos posibilidades. Si se elige el cálculo detallado se deberán introducir datos como el número de codos de 90º, de 45º, número de válvulas, etc. Si solo se desea un cálculo aproximado, habrá que facilitar la longitud equivalente de cada circuito enterrado y la longitud equivalente del colector. 8. Temperaturas de aplicación. Será necesario introducir la temperatura de salida del fluido del circuito primario en calefacción (30, 35, 40, 45, 50 ó 55 °C) y en refrigeración (5, 6, 7, 8, 10, 12, 15, 18 ó 20 °C). Datos de salida: Una vez introducidos todos los datos, GEO2 nos realizará unos cálculos y nos mostrará en una tabla distintas soluciones. Figura 55: Ejemplo de soluciones mostradas por GEO2. Fuente: Elaboración propia. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 112 Para el ejemplo de la figura 55, se ha introducido una demanda térmica de 30 kW para calefacción y de 25 kW para refrigeración. Como se observa, la primera profundidad que cumple con los 30 kW de calefacción es la de 121,16 metros, mientras que en refrigeración deberíamos quedarnos con la profundidad de 38,82 metros para satisfacer la demanda térmica. De modo que para cumplir con ambos regímenes, se seleccionaría una profundidad de 121,16 metros. Como observamos en la figura 55, también tendremos calculados:  La potencia absorbida.  La temperatura de salida del agua de la bomba de calor al final de la estación de invierno/calefacción o verano/refrigeración.  El caudal nominal con el que se garantizan las prestaciones de la bomba de calor.  La pérdida de carga por fricciones (intercambiador) enterrado (longitud y accesorios), colector (longitud y accesorios) y bomba de calor).  El área, entendiendo por esta la parte superior del suelo justo encima del intercambiador.  El volumen, que se obtiene al multiplicar el área afectada por la profundidad máxima de los colectores en los intercambiadores horizontales, y en los verticales es el volumen excavado, lo que se calcula como el área de un pozo por la longitud total, dividido por dos, ya que en un pozo entran un tubo de subida y otro de bajada.  Finalmente, el programa nos calculará el COP y el EER y además la contribución mínima de energía renovable en calefacción. Figura 56: Resultados en GEO2. Fuente: Elaboración propia. Finalmente, GEO2 nos puede elaborar unos informes en Word y Excel, mostrando todos los datos introducidos y los resultados mostrados en las figuras 55 y 55. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 113 Los propios resultados se muestran en diferentes colores a fin de expresar con la mayor claridad posible la viabilidad de la solución, así se muestra en color verde el diseño correcto, en amarillo los diseños mejorables y en rojo los diseños que no son adecuados, como se ve en la figura 57. En el caso de estar marcado en amarillo o rojo, se muestran un cuadro inferior avisos sobre los motivos de posibles mejoras o inadecuación del diseño. Los avisos pueden ser sobre la presión (demasiado elevada, tanto en el intercambiador como en el colector), sobre la velocidad (demasiado baja o demasiado alta en los bucles del intercambiador), sobre la temperatura (demasiado alta en verano) o sobre la potencia (la bomba de calor no tiene suficiente potencia para refrigerar/calefactar el edificio). En el manual de usuario (Manual de usuario GEO2 v1.0), se definen cada uno de estos problemas, y la forma de solucionarlos. Figura 57: Errores en los resultados de GEO2. Fuente: Elaboración propia. 11.4. Ground Loop Design (GLD). GLD se ha concebido como un software de diseño para ingenieros y diseñadores profesionales de HVAC, en el área de las aplicaciones geotérmicas (ground loop design). Existen dos versiones, una para diseño comercial (industrial) y otra para diseño residencial. A lo largo de este epígrafe se considerará la versión industrial. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 114 Datos de entrada Dentro del software nos encontramos distintos bloques: diseño del intercambiador (vertical, horizontal), cargas térmicas y definición de la bomba de calor. Además de los diseños horizontal y vertical, otra posibilidad que ofrece GLD es que el GHE intercambie calor con un río, lago, estanque, océano o reservorio. 1. Diseño del intercambiador vertical. A continuación se van a describir los apartados a rellenar para el intercambiador vertical.  Información: nombre del proyecto, proyectista, email, teléfono, fecha, datos sobre el cliente, dirección de contacto y comentarios.  Potencia extra: potencia necesaria de las bombas de circulación, rendimiento del motor de las bombas y potencia adicional. Existe la posibilidad de introducir un sistema híbrido con una torre de refrigeración, para la cual se debe introducir la potencia requerida para bombear y para la ventilación y el rendimiento de los motores.  Configuración: número de pozos introduciendo el número de filas, columnas y la distancia entre los pozos. También hay que elegir el número de bucles en paralelo por intercambiador, entre las opciones 1, 2 y 3 que se muestran en las figura 58. Figura 58: Configuración vertical en GLD. Fuente: Elaboración propia. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 115 GLD cuenta con un creador de configuraciones, que nos permite configurar la disposición de los pozos tal y como se desee mediante un sistema de coordenadas. Además facilita el trabajo si queremos crear configuraciones en U o en L. Figura 59: Creador de configuraciones en GLD. Fuente: Elaboración propia.  Tubo en U: resistencia térmica del pozo (obtenida del TRT), datos sobre los tubos (resistencia del tubo, diámetros interiores y exteriores, material, régimen turbulento, laminar o de transición...) que se pueden obtener en una base de datos del programa, configuración en simple o doble U, diámetro del pozo, conductividad térmica del material de relleno y distancia entre los tubos dentro del pozo (pegados entre sí, distancia media o pegados a las paredes del pozo). Figura 60.  Terreno: temperatura inicial del terreno sin alterar (cuenta con una base de datos de temperaturas en EEUU y Canadá), conductividad y difusividad térmica. GLD cuenta con una aplicación para calcular la difusividad térmica a partir de otros valores de las propiedades térmicas del terreno (conductividad térmica, calor específico, densidad y humedad). Finalmente, Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 116 en este apartado, se encuentra la posibilidad de elegir un período de simulación. Figura 60: Tubo en U vertical en GLD. Fuente: Elaboración propia.  Fluido caloportador: temperaturas de entrada del fluido caloportador en la bomba de calor, caudal, y elección de fluido, para lo cual GLD dispone de una base de datos. 2. Diseño del intercambiador horizontal. Los apartados de información, potencia extra y fluido caloportador son exactamente iguales que para el caso del intercambiador vertical.  Configuración: anchura de la zanja y longitud, de modo que se calcula el área de terreno afectada. Si hay más de una zanja deberemos ponerlo, además de la separación entre ellas, sus anchuras y profundidades. Las distintas configuraciones se pueden observar en la figura 61. Cabe destacar que se permite seleccionar configuración slinky, introduciendo los parámetros necesarios (diámetro del rizo y separación entre cada uno). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 117 Además, para este diseño también se puede realizar un período de simulación. Figura 58: Configuraciones horizontales en GLD. Fuente: Elaboración propia.  Elección de la tubería: resistencia térmica, diámetro interior y exterior, material y régimen del flujo. Al igual que en los sistemas verticales, se dispone de una base de datos de tubos.  Terreno: los datos a introducir son los mismos que en el caso vertical, pero aquí también será necesario introducir la temperatura exterior media de la región donde se encuentra la instalación, así como la temperatura más fría y más cálida del año. 3. Cargas térmicas.  Cargas Zonales: Para sistemas no centralizados, a menudo es necesario dividir las cargas y diferenciar zonas que serán alimentadas por diferentes bombas de calor. Este tipo de sistemas tiene ventajas como la de suponer unas instalaciones de menor tamaño y con menores costes de mantenimiento. Para cada zona que se dimensione, se necesitarán datos relacionados con la ocupación (días por semana que se ocupa) y ganancias y pérdidas de calor en 4 periodos del día, tres en horarios laborables y uno que comprende la noche (8.00 – 12:00 ; 12:00 – 16:00 ; 16:00 – 20:00 ; 20:00 – 8:00). Con estas transferencias térmicas y ocupación, el programa podrá obtener las horas equivalentes anuales a plena carga. También se Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 118 pueden calcular a través de una herramienta que provee el programa para tal efecto. Habrá que seleccionar una bomba de calor para cada zona, bien de la base de datos del programa (esta selección podrá ser automática o manual), o bien introduciendo datos específicos del equipo (capacidad, consumo eléctrico, COP, caudal y factor de carga parcial, tanto en régimen de calefacción como de refrigeración).  Cargas Medias: Para estimaciones rápidas y cálculos generales, no es necesario hacer un análisis zonal completo. En estos casos se pueden introducir parámetros aproximados de diseño, como valores medios globales de cargas térmicas. Figura 62: Cargas térmicas zonales en GLD. Fuente: Elaboración propia. 4. Selección de la bomba de calor. GLD dispone de una amplia base de datos con distintas marcas de bombas de calor y modelos. Se muestran las características de cada bomba de calor: generales, de calefacción, refrigeración, etc. Figura 63. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 119 Además de los requisitos descritos, otra de las opciones que ofrece GLD es un análisis del sistema geotérmico en cuestión, analizando su ciclo de vida en cuanto a reducción de emisiones de CO2, ahorros energéticos, costes de la instalación, etc. Figura 63: Características de una bomba de calor en GLD. Fuente: Elaboración propia. Datos de salida. Para sistemas verticales, los resultados que se muestran en la interfaz del programa tanto para calefacción como para refrigeración son los siguientes: longitud total de tubería, número de excavaciones, longitud de las excavaciones, variación de la temperatura del terreno, temperatura de entrada al equipo, temperatura de salida del equipo, capacidad total, carga pico, demanda pico, COP de la bomba de calor, COP del sistema completo, caudal e información sobre la torre de refrigeración en caso de existir. Para sistemas horizontales, los resultados que se muestran en la interfaz del programa tanto para calefacción como para refrigeración son los siguientes: longitud total de zanjas, número de zanjas, longitud de una zanja, longitud total de tubería, temperatura Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 126 energético para aplicaciones prácticas, ya que las funciones g de los GHEs con diferentes configuraciones tienen que ser precalculadas y almacenadas en el programa como una base de datos. La función de interpolación también se necesita en el uso de la base de datos, lo que puede dar lugar a errores de computación. Los programas EED, GLHEPRO y GLD están basados en el método de Eskilson (H. Yang et al, 2009) (gld-online). Al igual que en el modelo del foco lineal de Kelvin se está considerando una temperatura inicial del terreno, pero se considera que la longitud del pozo es finita y la transferencia de calor es bidimensional (direcciones radial y axial). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 127 13. Algunas instalaciones en España. En el III Congreso de Energía Geotérmica en la edificación y la industria (geoener), celebrado en Madrid en abril de 2012, algunos ponentes mostraron resultados técnicos, de instalaciones GCHP llevadas a cabo en España. Gas Natural Fenosa en asociación con la empresa portuguesa Engineering y Energylab, ha realizado el proyecto GAIA-D, consistente en monitorizar 43 instalaciones en la península. Dentro de estas instalaciones hay viviendas unifamiliares, centros de salud, edificios de oficinas, edificios de viviendas, museos, escuelas y hoteles. Se encuentran tanto en clima atlántico, continental, de montaña y mediterráneo. En cuanto a las perforaciones, 42 de ellas son de pozo vertical. El rango de potencias va desde 0-25 kW (la más representativa del estudio), hasta instalaciones de más de 300 kW. Alejandra González (2012) expuso los siguientes resultados: Indicadores Sector residencial Sector terciario Calefacción Refrigeración Calefacción Refrigeración COPest(bomba) 4 3,68 COPest(instalaciones) 3,55 3,35 EERest(bomba) 3,46 3,48 EERest(instalaciones) 3,04 3,11 Tabla 29: Indicadores de eficiencia del proyecto GAIA-D. Fuente: Alejandra González 2012. Estos resultados son los valores medios medidos en las instalaciones, tanto para el sector residencial como para el terciario. Observamos que en ambos casos el COP y el EER estacionarios tanto de la bomba como de la instalación son aceptables. El COP de la instalación es menor que el de la bomba, esto se debe a que en el COP de la instalación hay que incluir la bomba hidráulica del intercambiador de calor enterrado 13.1. Plan de Energías Renovables 2011-2020. Las perspectivas de la evolución en España en los próximos años de las energías renovables y entre ellas las instalaciones de bomba de calor geotérmica, se establecen en el Plan de Energías Renovables. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 128 Figura 64: Consumo final bruto de energía en 2010. Fuente: PER 2011-2020 (IDAE) En la figura 64 se muestra que del consumo final bruto de energía en el año 2010, el 13,2 % era de energías renovables, y tan solo el 0,02 % pertenece a la bomba de calor. Se observa entonces que el uso de esta tecnología está poco extendido. El desarrollo que propone para la bomba de calor geotérmica es el siguiente: ktep 2005 2010 2011 2012 2013 2014 Energía renovable a partir 7,6 17,4 19,7 22,2 24,9 28,1 de bombas de calor De la cual aerotérmica 4,1 5,4 5,7 6,1 6,4 6,9 De la cual geotérmica 3,5 12,0 14,0 16,1 18,5 21,2 ktep 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Energía renovable a partir 30,8 33,6 37,2 41,2 45,8 50,8 de bombas de calor De la cual aerotérmica 7,4 7,9 8,4 9,0 9,7 10,3 De la cual geotérmica 23,4 25,7 28,8 32,2 36,1 40,5 Tabla 30: Objetivos del PER en el sector de la calefacción y refrigeración. Fuente: PER 2011 - 2020 (IDAE). Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 129 Para los próximos años se establece un crecimiento del 337 % respecto a la energía empleada desde el año 2010. La potencia actual instalada en España se estima entre 60 y 100 MWt (PER 2011- 2020 ; GEOPLAT 2010), sobre todo por el gran desarrollo en los últimos años de los aprovechamientos geotérmicos mediante bombas de calor. Los principales retos tecnológicos de la geotermia para usos térmicos son reducir el coste de generación térmica, mediante la reducción de los costes de ejecución del intercambio geotérmico y el incremento de los ahorros proporcionados por estos sistemas, y mediante el aumento de la eficiencia de las bombas de calor geotérmicas. El potencial geotérmico de baja y muy baja temperatura en zonas con potenciales consumidores se ha estimado en más de 50.000 MWt. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 130 14. Aprovechamiento del acuífero en Zaragoza. En la ciudad de Zaragoza debido a la disponibilidad de agua subterránea, el aprovechamiento se realiza mediante sistemas abiertos, por lo que se capta agua del acuífero a una determinada temperatura que es transferida a un intercambiador de calor para su aprovechamiento. El clima continental de Zaragoza hace que el aprovechamiento geotérmico sea principalmente para refrigeración y un tercio de sistemas para calefacción. El agua captada, se devuelve al acuífero por medio de un segundo pozo aguas abajo del flujo subterráneo. En verano el agua se devuelve más caliente al acuífero, mientras que en invierno se devuelve más fría. Datos de la Plataforma Tecnológica Española de Geotermia (GEOPLAT 2010) revelan que, a fecha de 2010, la potencia instalada en España con bombas de calor se eleva a 60-100 MWt, de los cuales la aportación de la explotación en Zaragoza superaría los 30 MWt. Así pues, se reconoce que Zaragoza es en España una ciudad pionera y ejemplo de cómo el aprovechamiento geotérmico se ha ido introduciendo en los últimos 25 años. En la figura 65 se muestra la evolución temporal del número de aprovechamientos existentes en Zaragoza. Figura 65: Aprovechamientos geotérmicos con bomba de calor en Zaragoza. Fuente: E. Garrido et al 2010. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 131 En 2010 se contabilizaron cerca de 60 aprovechamientos geotérmicos en la ciudad, de los que 40 están actualmente activos y se muestran en la tabla 25. Hoy en día existen más de 60 aprovechamientos, con más de 150 pozos involucrados y 50 MWt de potencia instalada (Eduardo Garrido 2012). En la figura 66 se muestra el mapa de Zaragoza con los pozos que utilizan el acuífero urbano. Figura 66: Pozos que aprovechan el acuífero urbano de Zaragoza. Fuente: E. Garrido et al, 2008. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 132 APROVECHAMIENTO TITULAR POZOS CAPTACIÓN VERTIDO Nº TOTAL Nº PROF. MÁX Caudal Consumo Nº PROF. MÁX Caudal Vertido (m) (l/s) m3/año (m) (l/s) m3/año ARAGONIA Zaragoza Urbana, S.A. 6 4 44,00 33,60 943020 2 33,60 643020 BIBLIOTECA DE HUMANIDADES Universidad de Zaragoza 2 1 45,00 3,97 81406 1 36,00 3,97 81406 CENTRO ARAGONÉS DEL DEPORTE Gobierno de Aragón 1 1 21,53 10,00 315360 0 - - - CENTRO CÍVICO SAN JOSÉ Ayuntamiento de Zaragoza 1 1 23,00 0 - - - CENTRO DEPORTIVO A. MAESTRO Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes 1 1 0 - - - CENTRO DEPORTIVO PALAFOX Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes 3 2 30,27 6,33 115566 1 33,00 6,33 115566 CENTRO DEPORTIVO SIGLO XXI Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes 3 2 25,89 525000 1 25,89 525000 CINES PALAFOX LAS SALAS Zaragoza Urbana, S.A. 3 2 50,00 4,83 133521 1 33,00 4,83 133521 DISMINUIDOS FÍSICOS DE ARAGÓN Disminuidos Físicos de Aragón 2 1 27,50 1,30 24354 1 26,50 1,30 133521 EDIFICIO ADA BYRON Universidad de Zaragoza 2 1 24,00 12,86 264000 1 26,00 12,86 264000 ESCUELA INGENIEROS Universidad de Zaragoza 5 4 36,00 34,75 1 34,75 EDIFICIO ANTIGUO SEMINARIO Ayuntamiento de Zaragoza 3 2 65,00 29,92 549423 1 64,00 29,92 549423 EDIFICIO ESCUELA EMPRESARIALES Universidad de Zaragoza 2 1 38,00 19,04 375255 1 35,00 16,66 375255 EDIFICIO LOS ARCOS CIUVASA 1 1 21,75 0 - - - EDIFICIO MARISTAS Gobierno de Aragón 3 2 20,00 22,20 500949 1 23,00 22,20 500949 EDIFICIO PARANINFO Universidad de Zaragoza 3 2 42,00 145000 1 42,00 145000 EDIFICIO PIGNATELLI Gobierno de Aragón 3 2 40,00 511000 1 40,00 511000 EL JUSTICIA El Justicia 1 1 29,17 0,58 18000 0 - - - EL PLATA Aramesa 2 1 36,50 7,60 129004 1 28,00 7,60 129004 ESTACIÓN DELICIAS ADIF Patrimonio 7 3 83,30 1186500 4 28,00 83,30 1186500 HOLMES PLACE COLISEO DUAR Desarrollo Urbano Aragonés S.L. 2 1 26,00 1,45 23000 1 24,00 1,45 23000 HOSPITAL CLÍNICO Gobierno de Aragón Dpto de Salud 6 4 63,00 60,55 941856 61,00 60,55 941856 Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 133 APROVECHAMIENTO TITULAR POZOS CAPTACIÓN VERTIDO Nº TOTAL Nº PROF. MÁX Caudal Consumo Nº PROF. MÁX Caudal Vertido (m) (l/s) m3/año (m) (l/s) m3/año HOSPITAL PROVINCIAL Gobierno de Aragón Dpto de Salud 2 1 37,85 39,97 1 45,00 39,97 HOSPITAL SAN JUAN DE DIOS Hospital San Juan de Dios 4 2 60,00 7,50 72463 2 47,50 7,50 HOTEL ALFONSO I Zaragoza Urbana, S.A. 3 2 27,00 17,62 208625 1 25,50 17,62 HOTEL BOSTON Inversiones Generales Boston S.A. 1 1 15,67 1,05 15000 0 - - - HOTEL IBERUS Zaragoza Urbana, S.A. 7 3 32,50 50,00 4 35,00 HOTEL PALAFOX, CASINO Y CINE Zaragoza Urbana, S.A. 3 2 37,00 19,16 184437 1 12,30 3,65 115217 IBERCAJA Ibercaja 7 3 42,00 36,00 614329 4 46,00 24,80 783000 LA CASA DEL LOCO La Casa Del Loco 1 1 14,91 1,06 9135 0 - - - MERCADO CENTRAL Ayuntamiento de Zaragoza 2 1 30,00 4,70 96000 1 30,00 4,70 96000 MUTUA ACCIDENTES ZARAGOZA Mutua Accidentes Zaragoza 3 2 48,00 38,20 563838 1 40,00 16,60 432000 PABELLÓN PRINCIPE FELIPE Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes 2 2 24,60 32,00 350000 0 - - - PUERTA CINEGIA Ordisa 4 1 25,00 54,57 1752000 3 36,00 3,17 100000 RESIDENCIA REYES DE ARAGÓN Sekilur S.A. 6 3 52,00 9,95 100665 3 58,00 13,88 180000 T.V. ARAGÓN POZO-1 Gobierno de Aragón 3 2 20,00 8,15 183384 1 20,00 8,15 257018 TRANSPORTES OCHOA Transportes Ochoa 2 1 30,00 13,43 341548 1 30,00 17,36 400000 UTRILLAS PLAZA -ALCAMPO Alcampo 4 1 16,00 525600 3 16,60 525600 UTRILLAS CENTRO COMERCIAL Utrillas Plaza - Centro Comercial 6 3 85,00 1285200 3 28,40 85,00 1285200 COMPAÑÍA HIJAS DE LA CARIDAD Compañía Hijas de la Caridad 1 1 30,00 0,16 3124 - - - - Tabla 31: Captación y vertido de los pozos que aprovechan el acuífero urbano de Zaragoza. Fuente: E. Garrido et al, 2010. Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 134 APROVECHAMIENTO TITULAR CLIMATIZACIÓN TEMPERATURAS (°C) FRÍO CALOR Potencia kW Potencia kW CAPTACIÓN VERTIDO SALTO TÉRMICO ARAGONIA Zaragoza Urbana, S.A. X X 14,6 20,9 6,3 BIBLIOTECA DE HUMANIDADES Universidad de Zaragoza X 402 X 542 18,0 23,2 5,2 CENTRO ARAGONÉS DEL DEPORTE Gobierno de Aragón X X 16,4 20,5 4,1 CENTRO CÍVICO SAN JOSÉ Ayuntamiento de Zaragoza X X 17,6 CENTRO DEPORTIVO A. MAESTRO Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes - X 18,0 CENTRO DEPORTIVO PALAFOX Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes X X 16,9 28,0 11,1 CENTRO DEPORTIVO SIGLO XXI Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes X X 16,4 29,7 13,3 CINES PALAFOX LAS SALAS Zaragoza Urbana, S.A. X X 21,0 DISMINUIDOS FÍSICOS DE ARAGÓN Disminuidos Físicos de Aragón X 26,0 EDIFICIO ADA BYRON Universidad de Zaragoza X 1796 X 1796 16,8 41,9 25,1 ESCUELA INGENIEROS Universidad de Zaragoza X 2118 X 2118 EDIFICIO ANTIGUO SEMINARIO Ayuntamiento de Zaragoza 2076 1683 17,0 29,3 12,3 EDIFICIO ESCUELA EMPRESARIALES Universidad de Zaragoza X 2000 X 2000 16,6 28,3 11,7 EDIFICIO LOS ARCOS CIUVASA X X 18,1 EDIFICIO MARISTAS Gobierno de Aragón X X 22,6 30,7 8,1 EDIFICIO PARANINFO Universidad de Zaragoza X 2163 18,4 32,0 13,6 EDIFICIO PIGNATELLI Gobierno de Aragón X X EL JUSTICIA El Justicia X X 20,0 EL PLATA Aramesa X ESTACIÓN DELICIAS ADIF Patrimonio X 18,5 22,0 3,5 HOLMES PLACE COLISEO DUAR Desarrollo Urbano Aragonés S.L. X HOSPITAL CLÍNICO Gobierno de Aragón Dpto de Salud X 21,3 28,5 7,2 Estado del arte de sistemas de bombas de calor acopladas al terreno 135 APROVECHAMIENTO TITULAR CLIMATIZACIÓN TEMPERATURAS (°C) FRÍO CALOR Potencia kW Potencia kW CAPTACIÓN VERTIDO SALTO TÉRMICO HOSPITAL PROVINCIAL Gobierno de Aragón Dpto de Salud X 1400 16,6 24,1 7,5 HOSPITAL SAN JUAN DE DIOS Hospital San Juan de Dios X 17,1 HOTEL ALFONSO I Zaragoza Urbana, S.A. X 16,9 HOTEL BOSTON Inversiones Generales Boston S.A. X X 18,4 HOTEL IBERUS Zaragoza Urbana, S.A. X X 29,7 HOTEL PALAFOX, CASINO Y CINE Zaragoza Urbana, S.A. X 20,0 34,0 14,0 IBERCAJA Ibercaja X 17,5 25,0 7,5 LA CASA DEL LOCO La Casa Del Loco X 20,2 MERCADO CENTRAL Ayuntamiento de Zaragoza X MUTUA ACCIDENTES ZARAGOZA Mutua Accidentes Zaragoza X 20,4 31,5 11,1 PABELLÓN PRINCIPE FELIPE Ayuntamiento de Zaragoza - Deportes X X 17,5 PUERTA CINEGIA Ordisa X X 25,0 35,0 10,0 RESIDENCIA REYES DE ARAGÓN Sekilur S.A. X 735 16,9 T.V. ARAGÓN POZO-1 Gobierno de Aragón X 18,9 19,4 0,5 TRANSPORTES OCHOA Transportes Ochoa X 25,6 29,5 3,9 UTRILLAS PLAZA -ALCAMPO Alcampo X 24,0 30,4 6,4 UTRILLAS CENTRO COMERCIAL Utrillas Plaza - Centro Comercial X X 34,6 COMPAÑÍA HIJAS DE LA CARIDAD Compañía Hijas de la Caridad Tabla 32: Climatización y temperaturas de de los pozos que aprovechan el acuífero urbano de Zaragoza. Fuente: E. Garrido et al, 2010.