Download - Bombas de Calor Geotérmica
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1Dr. Javier F. Urchuegua SchlzelCatedrtico de Fsica Aplicada de la Universidad Politcnica de
Valencia, Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales
Responsable del Grupo Sostenibilidad Energtica en Edificios
Instituto de Ingeniera Energtica
Introduccin y aspectos generales de las Bombas
de Calor Geotrmicas
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 20062
ndice
1. Panorama y ventajas de los sistemas basados en BCG
2. Aspectos tecnolgicos fundamentales3. Proyectos de geotermia en la UPV4. Modelado5. Propiedades trmicas del suelo6. Anlisis econmicos
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3Panorama general
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 20064
Qu es una bomba de calor acoplada al terreno o geotrmica (BCG)?
Bomba de caloraire - agua
CALEFACCION
PelecCalor
Bomba de caloraire - agua
REFRIGERACIN
PelecExtraer
Calor= Fro
z Bombas de calor aire-agua
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 20065
Qu es una bomba de calor acoplada al terreno?
MODO refrigeracin
Afectacin trmica del terrenoEl suelo se calienta.
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 20066
Qu es una bomba de calor acoplada al terreno?
50 100 150 200 250 300 350
5
10
15
20
25
30
35
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
(
V
a
l
e
n
c
i
a
)
Da del ao
1.5m
0 m
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 20067
Una gran masa trmica
z Permite recuperarenerga trmica paradar calefaccin
Otros elementos:z Agua o medio anticongelantez Sistema hidrulicoz Bomba de calor agua agua o
agua - aire
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 20068
En resumen .. una bomba de calor geotrmica
z Utiliza la habilidad natural del terreno de almacenar calor para permitir una mejora sustancial de la eficiencia energtica del sistema ( 50%)
z Se trata adems de una tecnologa una opcin fiable, eficiente, econmicamente muy ventajosa y con interesantes ventajas aadidas
z Est ampliamente extendida en otros pases (mayormente, pero no slo, de clima fro)
z Qu factores limitan o han limitado su implantacin en Espaa?
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 20069
Algunos datos respecto a BCG
z Barreras Desconocimiento del pblico y de las instituciones Mayor costo inicial Mayor complejidad de ingeniera (diseo,
ejecucin, excavacin,)z Ausencia de proyectos en Espaaz Desde 2001: proyectos en la UPV
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Una comparativa bsica
BCG
Elctrico
Aire/Agua Aire/Aire
Caldera Fuel/Gas
PetrleoCarbn
Gas
Central el.
1 kWh
1 kWht
0,64 kWh0,36 kWh
0,36 kWh
0,36 kWh
0,15 kWh
0,36 kWh
1,08 kWh1,44 kWh
0,36 kWh
0,72 kWh
0,85 kWh
200 m25000 kWh
3470 kWh
13900 kWh
6950 kWh
5900 kWht
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11
Aspectos tcnicos
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200612
Aplicaciones
Suelo radiante calefaccin / refrigeracin Fan coil calefaccin / refrigeracin Agua caliente sanitaria Climatizacin de piscinas Derretir nieve o hielo Enfriamiento agua para procesos
industriales
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Sistemas relacionados con la BCG
-Caudal suficiente
-TrabasLegislacin?
-Reinyeccin
-Dispo-nibilidad(lagos/mar)
-TrabasLegislacin?
-Limitepotencia
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200614
9 buena relacin coste-prestaciones
9 instalacin ms sencilla
9para nuevas construcciones
9uso del terreno mayor
9peligro interferencia constructiva, requiere estricta coordinacin de obra
Bucle horizontal
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Configuraciones de bucle horizontal
Tipologas en zanja
Sistema slinky
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200616
9 minimiza rea afectada
9 pozos tpicamente de entre 50 y 150 m con material de relleno
9menor longitud relativa de tubera
9 mayores costes de instalacin
9mayor complejidad de obra(/ingeniera)
Bucle vertical
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Diseo interior
9 bombas agua-aire o agua -agua + fan coil
9resultado ptimo con suelo radiante en calefaccin
9 instalacin interior convencional
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Integracin de BCG en sistemas
Torre de condensacin(disipa el exceso de calor)
Intercambiadores(disipa y/o almacenael exceso de calor y el exceso de fro)
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200619
9Eliminacin total o parcial de torres de refrigeracin
9Uso flexible
9Reutilizacin parcial del calor residual (=mejora sustancial de la eficiencia)
Refrigeracin natural(free cooling)
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200620 Refrigeracin mecnica
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Calefaccin y refrigeracin(4 tubos)
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200622
Calefaccin mecnica
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200623
Calefaccin natural, directa o free
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Clculo muy preciso de los requerimientosde carga
Buen diseo hidrulico
Buen diseo del intercambiador
Buena ejecucin de sondeos
Coordinacin de obra exacta
Buena ingeniera de proyecto(protocolizacin, certificacin,..)
Aspectos crticos para un buen diseo
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Criterios de dimensionado de una BCG
Medio-ambiente
Costosinstalacin
InstalacinBomba de
calor
Emplazamiento
Suelo /geologa
CargaTrmica
Clima
DimensionadoTipologa
Esquema Hidrulico
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200626
9requerimientos pico (influye en la evolucin rpida de las temperaturas)
9perfil de carga estacional (influye en la evolucin de temperaturas del terreno a largo plazo)
Perfil estacional de carga trmica
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200627
9propiedades trmicas del suelo en el diseo (conductividad y difusividad)
9Ejemplo: diseo en Valencia de un sistema horizontal
Efecto del suelo
Diseo para 15 kW de refrigeracin T de salida 32,5 COP=4.46
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9Valores de conductividad (W/mK)
L
o
n
g
i
t
u
d
d
e
i
n
t
e
r
c
a
m
b
i
a
d
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r
e
n
t
e
r
r
a
d
o
(
m
)
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200628Periodo de retorno en comparacin con otros sistemas
Informacin tomada del artculo Cost containment for Ground-Source heat pumps by Steven Kavanaugh and Christopher Gilbreath
Aspectos econmicos (TRI)
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200629
Evolucin de las emisiones mensuales de CO2 comparativaTomado del artculo CO2 paybacktime assessment of a regional-scale heating and cooling system using a ground source heatpump in a high energyconsumption area in Tokyo publicado en Applied Energy
Aspectos medioambientales
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ASPECTOS TCNICOS DE MODELADO Y DISEO DE BOMBAS
DE CALOR GEOTRMICAS
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200631
INTRODUCCIN
Las primeras aproximaciones para el clculo del trasporte trmico alrededor de tuberas enterradas fue realizado con la teora de la lnea infinita de Kelvin (1861).
El uso prctico de clculos de transporte de calor alrededor de tuberas fue iniciado por Allen (1920).
Primer Algoritmo de transporte trmico en el suelo: Ingersoll & Plass (1948)
Penrod, describe en 3 ejemplos el algoritmo de Ingersoll & Plass para BCG (1954).
Una versin simplificada del algoritmo de Ingersoll & Plass (1948) fue sugerida por Guernsey et al. (1949)
Muchos investigadores formularon modelos analticos y numricos para tratar el problema de la transmisin de calor en el suelo: Kavanaugh, Eskilson, Hellstrom, Sanner, Claesson, Rafferty, Shonder y Hughes, etc
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VERANO (REFRIGERACIN)
Bomba de Calor
Intercambiador Enterrado
Pf
Pa
Calor introducido en la tierra
afC PPQ +=&
MODELOS MATEMTICOS PARA BCGs
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VERANO (REFRIGERACIN)
Bomba de Calor
Intercambiador Enterrado
Pf
Pa
Calor introducido en la tierra
afC PPQ +=&
MODELOS MATEMTICOS PARA BCGs
Bomba de Calor
Intercambiador Enterrado
Pc
Pa
Calor extrado de
la tierra
ach PPQ =&
INVIERNO(CALEFACCIN)
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200634
)1(afc PPQ +=&Del balance en la bomba de calor:
De la ley de Fourier entre el agua y el suelo:
Si se expresa en por unidad de longitud:cQ&
)2(c
cc L
Qq&
=
)3()(
T
sfc R
TTq
=
Reemplazando (1) en (2) e igualando (2) y (3) tenemos:
sf
Tafc TT
RPPL
+=
)(
VERANO
(REFRIGERACIN) cQ&sTfT
MTODO DE ANLISIS EN ESTADO ESTACIONARIO
MODELOS MATEMTICOS PARA BCGs
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MODELOS MATEMTICOS PARA BCGs
)1(ach PPQ =&
hQ&
)2(h
hh L
Qq&
=
fs
Tach TT
RPPL
=
)(Del balance en la bomba de calor:
De la ley de Fourier entre el suelo y el agua:
Si se expresa en por unidad de longitud:
)3()(
T
fsh R
TTq
=
Reemplazando (1) en (2) e igualando (2) y (3) tenemos:
hQ&sTfT
MTODO DE ANLISIS EN ESTADO ESTACIONARIO
INVIERNO
(CALEFACCIN)
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Modelo de IGSHPA (Universidad de Oklahoma, USA)
IGSHPA se basa en el modelo de Bose(1984,1988):
MINL
hSPh
hh
h TT
FRRCOP
COPCAPL
+
=
)(1
HMAX
cSPc
cc
c TT
FRRCOP
COPCAPL
++
=
)(1
Donde: cfhc CAPPCAPP ==
=
i
eN
PP D
DLk
R 2
1
=
360
)(SX
SMsL eATXT
+=
360
)(SX
SMsH eATXT
),,( inconfiguracCpkfR ssS =
),.,arg,( horasNaireTempaCBombafFF ch =
MTODO DE ANLISIS EN ESTADO ESTACIONARIO
MODELOS MATEMTICOS PARA BCGs
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Capacidad y Potencia consumida de la bomba de calor
Tubera (Conductividad trmica)
Tipo de suelo (Conductividad trmica y humedad)
Factor de utilizacin
Temperatura del suelo
Temperatura Fluido
DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE BCGs
MINL
hSPh
hh
h TT
FRRCOP
COPCAPL
+
=
)(1
Parmetros importantes en el dimensionamiento:
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200638
Efecto de la Temp. en lado fro (Evaporador)
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12 14C
k
W
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
Capacidad calorifica
COP
EN MODO CALEFACCIN:
DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE BCGs
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CONDUCTIVIDAD TRMICA TUBERA:
Conductividad trmica de varios materiales
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
PE32 PE50A/PE100 PE50B PB(SDR-17)
W
/
m
.
K
DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE BCGs
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200640
TIPO DE SUELO:
Conductividad Trmica de suelo y roca
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Arena Arcila Marga Limo Granito Arenasaturada
Arcillasaturada
C
o
n
d
u
c
t
i
v
i
d
a
d
T
r
m
i
c
a
(
W
/
m
K
)
DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE BCGs
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200641
FACTOR DE UTILIZACIN:
DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE BCGs
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200642
TEMPERATURA DEL SUELO:
DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE BCGs
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200643
TEMPERATURA DEL FLUIDO EN LA BCG:
DIMENSIONAMIENTO Y DISEO DE BCGs
Influencia de la Temperatura del Fluido en la BCG
2.77
3.4
4.14
4.72
12,473
1,254
363606
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
30 35 40 45 50C
C
O
P
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
COP
longitud
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200644
Modelo de EED, GLHEPRO, TRNSYS (Universidad de Lund, Suecia)
);
9
(.2 2
1
1
1
Hr
Httg
kqqTT bin
n
i
iisb
=
= El modelo de Eskilson, 1987:
MTODO DE ANLISIS EN ESTADO TRANSITORIO
MODELOS MATEMTICOS PARA BCGs
++= 351.0
106.0log.1833.0
2
210 tr
rKqTT
ss
El modelo de Ingersoll & Plass, 1948:
12 rt
si
),( pzGKqTTs
s =
El modelo de Kavanaugh, 1985:
2rtz =Donde:
orrp =
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SOFTWARE EXISTENTES PARA BCGs
Caractersticas Generales:Entradas:
Propiedades trmicas del sueloTipo de tuberaConfiguracin de la instalacinPropiedades del fluidoInformacin climticaCargas trmicas del edificio para refrigeracin y calefaccinTemperatura del suelo imperturbada
Salidas:Requerimientos de longitudEvolucin de las temperaturas del fluido a lo largo del tiempo...
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200646
EED - EARTH ENERGY DESIGNER V 2.0
- Modelo desarrollado en la Universidad de Lund (Suecia) por Hellstrm & Sanner.
- Objetivo: Calcula la evolucin de las temperaturas del fluido (hasta 100 aos) y los requerimientos de longitud del ICE.
- Caractersticas:Slo para configuraciones verticales (308 config. en L, U, I...)Bases de datos para: Suelos, tuberas y fluidos.Las cargas trmicas son entradas por el usuario en base mensual (MWh)Uso de las funciones g para el clculo de la Resistividad y la temperatura del borehole.
- Resultados:Resistividad del borehole, las temperaturas del fluido para carga base y para carga pico y la longitud requerida.
JORNADA TCNICA: BOMBAS DE CALOR GEOTRMICAS - Valencia, Noviembre 29 - 30 de 2004
SOFTWARE EXISTENTES PARA BCGs
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47
SOFTWARE EXISTENTES PARA BCGs
EED V 2.0
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200648
GLHEPRO V 3.0
- Modelo desarrollado en IGSHPA-Universidad de Oklahoma (USA) por J. Spitler.
- Objetivo: Calcula la evolucin de las temperaturas del fluido (hasta 100 aos),los requerimientos de longitud del ICE y la potencia consumida por la bomba de calor (COP, SPF)
- Caractersticas:Slo para configuraciones verticales (308 config. en L, U, I...)Bases de datos para: Suelos, tuberas, fluidos y bombas de calor.Las cargas trmicas son entradas por el usuario en base mensual (MWh)Uso de las funciones g para el clculo de la Resistividad y la temperatura del borehole.
- Resultados:Las temperaturas para carga base y para carga pico, la potencia consumida por la bomba de calor y la longitud requerida.
SOFTWARE EXISTENTES PARA BCGs
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GLHEPRO V 3.0SOFTWARE EXISTENTES PARA BCGs
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200650
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWAREDimensionamiento de la BCG Proyecto Geotermia
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200651
Tuberas: Polietileno 100 PN10 DN 1Clima: ValenciaSuelo: Arcilla HmedaCarga trmica: 9kW para calefaccin y 16 kW para refrigeracinBomba de calor: IZE 80 de CIATESAFluidos en el ICE: Agua
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWAREDimensionamiento de la BCG Proyecto Geotermia
DATOS DE DISEO:
Configuracin: Horizontal 3Distancia entre tubos de ida y vuelta en cada bucle: 0.6mDistancia entre cada bucle: 0.8mProfundidad: 1.5m
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200652
Influencia de la Temperatura en la BCG (Verano)
28615
52022882 2009 1554 1092 859
4,724,49
3,8
3,4
2,77
2,25
4,14
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
30 32,5 35 37,5 40 45 50Temperatura de salida de la Bomba de Calor (C)
m
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5Longitud (m) COP
Clculos con ICE Proyecto GeotermiaRESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE
Influencia de la Temperatura en la BCG (Invierno)
3,16
3,21
3,24
3,28
8791233
2045
5824
3,1
3,12
3,14
3,16
3,18
3,2
3,22
3,24
3,26
3,28
3,3
5 6 7 8Temperatura de Salida de la Bomba de Calor (C)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
m
COP Longitud(m)
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200653
Arena Gruesa
Arena Fina
Arena Fina, separadas las capas geolgicas por bentonita
EED V2.0 y GLHEPRO V 3.0 - Proyecto Geocool
Arena Fina
Arena Gruesa
Arena Gruesa
Con espaciadores Con espaciadores
Con espaciadores
Con espaciadores
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200654
DATOS DE DISEO:
BOREHOLEConfiguracin: 3 x 2, configuracin rectngularProfundidad: 50 mDistancia entre Borehole: 3 mTipo de instalacin: SINGLE-UDimetro del Borehole 0.220 mDimetro de la tubera: 0.032 mConductividad trmica del tubo: 0.420 W/m,K
FLUIDO Agua
BOMBA DE CALOR IZE70(CIATESA)
SUELOConductividad trmica: 1.6 W/m,KCapacidad de calor volumtrica: 2400 kJ/m,KTemperatura del suelo imperturbado: 18.5 CResistencia Trmica del Borehole: 0,1178 K/(W/m)[calculada con EED]
EED V2.0 y GLHEPRO V 3.0 - Proyecto Geocool
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200655
Area = 200 m2
El software usado para la evaluacin de las cargas trmicas es CALENER
Perfil de Carga Trmica - Edificio Geocool
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
J
a
n
u
a
r
y
F
e
b
r
u
a
r
y
M
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M
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N
o
v
e
m
b
e
r
D
e
c
e
m
b
e
r
k
W
h
periodo vacacional de la universidad
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200656
Average Water temperature in the GCHE
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289
Months
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
e
C
GLHEPROEED
2.6 C
Perfil de la Temperatura promedio del agua en la BCG
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200657
HSPF and CSPF for GCHE
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25years
HSPF CSPF
HSPF y CSPF para el sistema de BCG con bentonita 10% en agua y configuracin rectangular 3x2.
4.55
3.93
4.16
4.02
Clculo del SPF para el sistema de BCG
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200658
Porcentaje de Mejora del sistema BCG vs CB aire-agua
RESULTADOS OBTENIDOS CON LOS SOFTWARE
BCG con bentonita 10% en agua y configuracin rectangular 3x2.
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59
Investigacin y Modelado de Sistemas Trmicos IMSTInstituto de Ingeniera Energtica IIEUniversidad Politcnica de Valencia UPVLunes 29 de Noviembre de 2004
ASPECTOS TCNICOS DE DISEO (II): PROPIEDADES TRMICAS DEL SUELO
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200660
1. Efecto profundidad sobre Temperatura Estacional2. Clasificacin del Terreno: Suelos y Rocas
a. Suelosb. Rocas
3. Tcnicas de Medida de Conductividad4. Mapas Geolgicos5. Mapas de Suelo
CONTENIDOS:
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61
1. Efecto de la Profundidad sobre la Temperatura estacional
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200662
Annual temperature variation in Valencia (soil diffusivity = 0,005cm2/s)
10
12
1416
18
20
2224
26
28
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
month
t
e
m
p
e
r
a
t
u
r
e
Air temperatureTemperature at 1,5mTemperature at 5m
Variacin anual de la temperatura en Valencia (difusividad del suelo= 0.005 cm2/s)
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
(
C
)
mes
Temperatura aire
Temperatura a 5 mTemperatura a 1.5 m
EFECTO DE LA PROFUNDIDAD SOBRE T ESTACIONAL:
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2. Clasificacin del Terreno: Suelos y Rocas
-
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SUELOS: Conjunto de material slido no litificado, compactado. Poroso, compactable y deformable, capaz de almacenar y conducir fluidos.
Tiene su origen en la roca madre.
ROCAS: Cualquier agregado mineral litificado formado de forma natural.
CLASIFICACIN DEL TERRENO:DIFERENCIA ENTRE ROCAS Y SUELOS
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- El mtodo se basa en la ecuacin de Stokes
relaciona el dimetro de las partculas (x) con el tiempo de cada (t) y unparmetro que no es constante durante el proceso de sedimentacin
DENSMETRO- Se agita el suelo en una solucin alcalina diluida en metafosfato sdico
: densidad suspensin del sueloC: concentracin de partculas en la suspensin
Pl : densidad del lquido
PS: densidad de las partculas
+=sPPCP 11 11000
( ) 2/1/ tx =2/1
1 )(301000
=
PPgh
s
SUELOS
TCNICAS DE DETERMINACIN DE LAS TEXTURAS DEL SUELO
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0.050.250.51
TAMAO APERTURA TAPIZ (mm)
TAMICES- Colocacin de tamices superpuestos de apertura :
- Se hace pasar una dispersin con metafosfatosdico y la muestra se lava en cascada durante 30 min.
- Las fracciones obtenidas en cada tamiz se secan y pesan.
-
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Los suelos se clasifican segn su tamao de grano:
mezcla de grano grueso y finoMARGAGRANO GRUESO Y GRANO FINO
< 0.002ARCILLA
0.05 0.002LIMOGRANO FINO
2 0.05ARENA
> 2GRAVAGRANO GRUESO
TAMAO PARTCULA (mm)TIPO DE SUELOTIPO DE GRANO
CLASIFICACIN DE SUELOS
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UNA ROCA PUEDE TRANSFERIRSE A OTRA A TRAVS DE CAMBIOS FSICOS-QUMICOS
ROCAS
CLASIFICACIN DE ROCAS
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ROCAS GNEAS
GABRO GRANITO DIORITABASALTO
CLASIFICACIN DE ROCAS
ROCAS METAMRFICAS
MRMOL ESQUISTO GNEISS COQUINA ARENISCA
ROCAS SEDIMENTARIAS
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3. Tcnicas de Medida de Conductividad.
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TCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD:
Qu informacin obtengo de un test de conductividad? Conductividad trmica del terreno: capacidad del terreno
para transmitir el calor.
Difusividad Trmica del terreno: ratio entre la capacidad de conduccin del terreno y la capacidad de almacenamientotrmico.
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TPO2 NON-STEADY-STATE PROBE
Formado por una vaina que contiene un cable de calentamiento y 2 termopares unidos donde uno acta de referencia.
2 ensayos de duracin mayor a 60s y espaciados en el tiempo 100s.
1
2
ttln
T4Q
=
TCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD DE SUELOS
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0.0061.67ARCILLA SATURADA
0.00932.50ARENA SATURADA
0.00490.91MARGA
0.00541.11ARCILLA
-1.67LIMO
0.00450.77ARENA ( O GRAVA)
DIFUSIVIDAD TRMICA [cm2/seg]
CONDUCTIVIDAD TRMICA [W/m K]TIPO DE SUELO
TCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDADES
Conductividad y Difusividad de los distintos tipos de Suelo
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Influencia humedad en la ConductividadArena seca: 0.21 W/m K Arena hmeda: 1.10 W/m K
TCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD:SUELOS
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Se utiliza el mismo equipo que para medida de conductividades en suelos.
Es necesario un pretaladro, = 6 mm , en la roca para introducir la sonda de medida.
Tras introducir la sonda de medida es necesario introducir material de contacto (gel, pasta de dientes o pegamento de silicona) entre la sonda y la roca.
Se ha de evitar la introduccin de materiales de contacto que puedan tener conveccin trmica.
El ciclo de calentamiento se incrementa entre 100-1000 s.
TCNICAS DE MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD:
ROCAS
TPO2 NON-STEADY-STATE PROBE
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ROCAS
Conductividad de los distintos tipos de Roca
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CONDUCTIVIDAD DEL POZO
Determina laresistencia del pozo donde se va a instalar el intercambiador.
Tiene en cuenta el tipo y material de relleno.
Se realiza a la profundidad de diseo del intercambiador.
CONDUCTIVIDAD DE SONDEOS: TEST IN SITU
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resistencia del pozo pendiente
PENDIENTE
Resultados del test in situ
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ANLISIS ECONMICO DE LAS BOMBAS DE CALOR GEOTRMICAS
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z CALEFACCIN
Elctrica Propano/Butano/Diesel Gas Natural Bomba de Calor Agua Bomba de Calor Aire Bomba de Calor
Geotrmica (BCG)
z REFRIGERACIN
Enfriadora Condensadas por agua/aire
Bomba de calor por Absorcin Bomba de Calor Agua Bomba de Calor Aire Bomba de Calor Geotrmica
(BCG)
OPCIONES PARA CALEFACCIN Y REFRIGERACIN
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CULES SON LOS ASPECTOS ECONMICOS DE LAS BCGs?
MAYOR COSTE DE INSTALACIN
AHORRO ENERGTICO SIGNIFICATIVO (40% - 60%)
INCENTIVOS AL AHORRO ENERGTICO
ESQUEMAS DE FINANCIACIN ESPECIALES
PERODO DE RETORNO EJEMPLO
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UNIVERSIDAD DE ALABAMA REALIZ UN ESTUDIO DE COSTOS EN BCGs: (Encuesta a 547, respuesta de 285, 57%)
CONCLUSIN: Los altos costes de la instalacin de BCGs se deben principalmente al alto coste de la excavacin.
Identificar el coste total y de componentes actuales de BCGs. Comparar el coste de equipo y de instalacin de BCGs con el
coste de sistemas similares.
COSTE DE INSTALACIN
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Coste medio de BCG:Horizontal: 675 U$/kW (17.5 kW)Vertical: 860 U$/kW (10.5 kW)
Comparndolo con un equipo convencional (17.5 kW) el coste agregado era de 350-450 U$/kW
Reducir los costes de componentes ms relevantes. (Excavacin y bomba de calor) Evitar bajar costes a expensas de la calidad. Compartir el coste de entrenamiento, investigacin y desarrollo con los fabricantes.
Tomado de:Steven Kavanaugh and Christopher Gilbreath, 1995
COSTE DE INSTALACIN
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Porcentaje(%) de instalaciones de varios tipos (resultado de la encuesta)
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Longitud Promedio de Tubera y Zanja/Pozo por TON
(T) = Excavadora de cadena(B) = Retroexcavadora
TON = 3.5 kWFeet = 0.3048 m
-
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Costes del resto de la Instalacin (sin Intercambiador enterrado)
TON = 3.5 kW
1971 $/TON
1748 $/TON
1620 $/TON
1580 $/TON
1393 $/TON1205 $/TON
20 % 20 %25 %
-
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Costes de unidades de Bombas de Calor Aire - Agua
TON = 3.5 kW
-
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Comparacin del Coste Total de Sistemas Convencionales y BCG
TON = 3.5 kW
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AHORRO ENERGTICO
Componente Energtica(kWh ahorrados)
Componente de mantenimiento
Componente de Potencia(kW contratados)$
$$
-
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INCENTIVOS AL AHORRO ENERGTICO
Energa geotrmica para generacin de calor
Clasificada como energa renovable por el libro blancode la energa de la Unin Europea
Subvencionabilidad de proyectos energas renovables
Hasta el 40% del coste atribuible al carcter renovable
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200691
PERODO DE RETORNO
Coste inversin Ahorro anual
Mantenimiento
VAN(PERIODO DE RETORNO)
Estudio dinmico de la rentabilidad de la inversin.
Agenteseconmicos: c, i, e
c-> revalorizacin de la energai -> inflacine-> inters bancario
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EJEMPLO
Estudio de rentabilidad de una instalacin de bomba de calor geotrmica
42 KW de refrigeracin 38 KW de calefaccin 500 metros cuadrados
Intercambiador vertical 9 pozos de 50 metros de profundidad
Parmetros de diseo
Programas de apoyo a las energas renovables
Coste sin subvencin - Caso I ---> 17100 eurosCoste con subvencin (40 %) - Caso II ---> 10260 euros
Coste de inversin I = 17100 - Coste de inversin II = 10260
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200693
Determinacin de ahorro anual.
Energa ahorradapor ao = 11200 kWh
0.082 /kWh
Ahorro anual ---> 1990
Mejora del 40 % en calefaccin
Ahorro calefaccin = 920
Energa ahorrada por ao = 13100 kWh
Mejora del 40 % en refrigeracin
Ahorro refrigeracin = 1070
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Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200694
Costes de Mantenimiento
Coste de mantenimiento anual ---> 0
Supone un ahorro frente al coste diferencial de la instalacin convencional!!
Sistema convencionalMantenimiento alto
(torres de refrigeracin)
Sistema bomba calor geotrmicaMantenimiento bajo
CMgeotrmico CMconvencional < 0
-
Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200695
Evolucin del Valor Actual Neto de la instalacin
-20000
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tiempo (aos)
V
a
l
o
r
A
c
t
u
a
l
N
e
t
o
(
V
A
N
)
Uso moderado SIN Subvencin Uso bajo SIN Subvencin Uso elevado SIN SubvencinUso moderado CON Subvencin Uso bajo CON Subvencin Uso elevado CON Subvencin
Periodo de retornoCaso CON Subvencin SIN Subvencin
Uso bajo 13,6 21,5Uso moderado 4,7 8,1
Uso alto 3,2 4,9
-
Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200696
Influencia de la financiacin
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tiempo (aos)
V
a
l
o
r
A
c
t
u
a
l
N
e
t
o
(
V
A
N
)
Inters bajo Inters medio Inters alto
c-> revalorizacin de la energai -> inflacine-> inters bancario
Fijos
-
Curso de doctorado sobre Tcnicas Energticas Avanzadas, Prof. Javier Urchuegua, Junio 200697
Diseo: Compromiso Longitud - Ahorro
221
2601762
7064
313
387 560788
0
5
10
15
20
25
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Longitud en funcin de la temperatura de salida de la bomba de calor
P
a
y
b
a
c
k
E
s
t
t
i
c
o
(
a
o
s
)
-
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Vida til
CosteMantenimiento
CosteOperacin
CosteInicial
VAN(Perodo Retorno)
Nuevos Sistemas
El peor3 ms bajoEl ms alto
El ms bajo
El peorBC aire
2 mejor
El ms alto3 ms bajo
Muy Alto3 mejorSistemas(4Tubos)
3 mejor
2 ms bajo2 ms bajo
2 ms bajo
2 mejorBC agua
El mejor
El ms bajoEl ms bajo
Muy AltoEl mejorBCG
GIOVANNI E. ROMERO. Anlisis Econmico de las Bombas de Calor Geotrmicas
(COMPARACIN SISTEMAS CONVECIONALES VS BCG)
CONCLUSION