Calculo de una instalación geotérmica

CALCULO DE UNA

INSTALACIÓN

GEOTÉRMICA Trabajo final de grado

PRESENTADA POR: Alcor Rodriguez

Dirigida por: J.J de Felipe

TFG. Calculo de sondas geotérmicas

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Prefacio

Con la motivación y esperanza de conocer el sistema

energético de las viviendas para su climatización y un mejor futuro del ecosistema del planeta, he visto una buena

oportunidad de aportar un grano de arena en la realización

de este trabajo, y por ello, doy gracias a esta universidad (EPSEM) y a todos los profesores. Valoro y agradezco el

avance académico y personal que me ha supuesto superar este grado.

También quiero agradecérselo a mi mujer por toda la ayuda

que me ha dado y recordar que sin ella no hubiese podido

realizar estos estudios. Y por último y más importante, dedicado a mí hijo, que es el que más fuerza me ha dado

para superar el extremo cansancio de estudiar, trabajar y llevar hacia delante la vida familiar. También agradecerle

por enseñarme que el dar ejemplo es más importante que dar lecciones, curiosamente siempre ha estado a mi lado

dibujando, pintando y haciendo de sus “trabajos” cada vez

que yo hacía de los míos.


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Contenido Resumen ....................................................................................................................................... 4

Introducción .................................................................................................................................. 5

Principios básicos de los sistemas de bomba de calor ................................................................ 6

Metodología ................................................................................................................................. 8

Proyecto de la instalación de climatización por bomba de calor

geotérmica. ............................................................................................................................ 9

Ubicación de la vivienda ............................................................................................................ 9

Planos de la vivienda ............................................................................................................... 10

Calculo de la demanda energética de la vivienda ................................................................... 11

Descripción climatológica ....................................................................................................... 11

Descripción geológica del emplazamiento .............................................................................. 12

Descripción térmica del suelo del emplazamiento ................................................................. 15

Selección de la BCG ................................................................................................................. 17

Calculo coeficientes invierno .................................................................................................. 20

Cálculo coeficientes verano .................................................................................................... 23

Cargas térmicas ....................................................................................................................... 24

Selección de la BCG ................................................................................................................. 25

Calculo del sondeo geotérmico ............................................................................................... 27

Factor de carga .................................................................................................................... 27

Temperatura del agua ......................................................................................................... 28

Resistencia térmica de la tubería ........................................................................................ 29

Resistividad térmica del suelo ............................................................................................. 29

Longitud de las sondas verticales ........................................................................................ 30

Temperatura del agua y COP............................................................................................... 31

Sensibilidad del terreno .......................................................................................................... 37

Estudio económico .................................................................................................................. 40

Estudio ambiental ................................................................................................................... 43

Pliego de condiciones técnicas ................................................................................................ 45

Turbo Colector......................................................................................................................... 49

Características de los captadores: ....................................................................................... 49

Arquetas para la unión de perforaciones ................................................................................ 50

Presupuesto ............................................................................................................................ 53

Conclusiones y observaciones ................................................................................................. 53

Bibliografía .............................................................................................................................. 54


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Resumen Las instalaciones con el aprovechamiento de energía geotérmica están en el punto de mira de

muchos gobiernos por los precios de los combustibles convencionales, la sostenibilidad y por

poder utilizarse en casi todo el planeta. Con el mismo sistema de las bombas de calor pero con

el intercambiador exterior enterrado (sondas) logra que sea una instalación muy sencilla, los

únicos puntos de mayor complejidad son el cálculo de la longitud de la/las sonda/as y el análisis

económico. La metodología de diseño que se utiliza es de la International Ground Source Heat

Pump Association (IGSHPA) y utilizada por RETScreen (Gobierno del Canadá). Este método se

compone de las necesidades energéticas de la vivienda, el estudio de la climatología y geología

del emplazamiento, la selección de la bomba de calor geotérmica, el cálculo de la sonda y la

viabilidad económica y ambiental. Una vez realizados estos cálculos y si es viable la instalación

se realiza un croquis para la correcta ubicación de los componentes y un presupuesto para

aproximar mejor el precio, con el que se vuelve a realizar el estudio económico. Con todo esto

ya se está en condiciones para poder empezar la instalación o dar soluciones en caso de que

haya algún inconveniente.

Summary

Installations harnessing geothermal energy are in the crosshairs of many governments due to

the high prices of conventional fuels, sustainability and being able to be used in almost the entire

planet. It is a very simple installation thanks to it use the same system as conventional heat

pumps but the outdoor exchanger is buried. The only points of greater complexity are the

calculation of the length of the probe(s) and the economic analysis. The design methodology

used is the International Ground Source Heat Pump Association (IGSHPA) and it used by

RETScreen (Government of Canada). This method is composed of the energy needs of the home,

the study of the climatology and geology of the site, the selection of the geothermal heat pump,

length of the probe and economic and environment viability. Once these calculations are made

and if the installation is viable, a sketch is made for the correct location of the components and

a budget is made to approximate the price, with which the economic study is carried out again.

With all this, we are already in conditions to start the installation or give solutions in case there

is any problem.


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Introducción La energía geotérmica, a pesar de venir siendo utilizada con algunos fines térmicos desde hace

siglos, es una gran desconocida, pero no por ello está carente de potencial. Su origen está en la

diferencia de temperaturas entre la superficie y el interior de la tierra. Muchos gobiernos

apuntan en esta dirección por el precio de los combustibles fósiles, junto a las implicaciones

medioambientales del consumo de éstos, tal como se está haciendo en otros países europeos.

La geotermia tiene fines térmicos y eléctricos. Entre los primeros cabe destacar los usos en

balnearios y piscinas climatizadas que es la forma más antigua de aprovechamiento, producción

de agua caliente sanitaria y calefacción con las modernas bombas de calor e intercambiadores

y otras aplicaciones importantes.

Geotermia es una palabra de origen griego, deriva de “geos” que quiere decir tierra, y de

“thermos” que significa calor. El calor de la tierra. El 99% de la masa de la Tierra está sometida

a una temperatura superior a los 1000ºC. Las grandes diferencias de temperatura entre la

superficie de la Tierra y las existentes en su interior originan un flujo continuo de calor hacia la

superficie, estimándose que la energía que llega cada segundo a la superficie terrestre, en forma

de calor, es de 42*1012J.

Desde hace más de 30 años, como consecuencia de las crisis energéticas del siglo XX, en los

países del norte de Europa y de América, se vienen empleando técnicas de intercambio

geotérmico que utilizan circuitos cerrados de agua con anticongelante, instalados en sondeos

poco profundos o enterrados a muy poca profundidad en el terreno, junto con bombas de calor

“Geothermal Heat pump” (GHP’s) para satisfacer necesidades de calefacción, refrigeración y

producción de ACS en viviendas unifamiliares y edificios comerciales. Este tipo de energía

geotérmica es la llamada de muy baja temperatura, menos de 30KW. Estos yacimientos abarcan

prácticamente la totalidad de la corteza terrestre.

En invierno, el terreno transfiere el calor que almacena al agua con anticongelante, que se utiliza

para calefacción, ya que la bomba geotérmica eleva su temperatura. En verano, el agua en

circuito cerrado transfiere al terreno el exceso de calor del edificio, de forma que se obtiene

refrigeración.


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Principios básicos de los sistemas de bomba de calor Partiendo del principio básico de que un gas se calienta cuando se comprime y se enfría cuando

se expande se puede hacer una breve explicación del proceso. Los clásicos frigoríficos utilizan

este principio a través de un gas que circula por el interior de un serpentín dentro del recinto a

refrigerar (o absorber calor) y este mismo gas circula por el exterior del recinto cediendo el calor,

este proceso es completado con un compresor y una válvula de expansión encargados de hacer

el cambio de estado de líquido a gas y viceversa. Entonces se puede observar dos puntos de

vista, aprovechar el calor cedido para calentar un recinto en el caso de utilizar el condensador o

enfriarlo en el caso de utilizar el evaporador. Pero para poder mejorar las prestaciones e invertir

el ciclo se precisa de una válvula de cuatro vías y una válvula de expansión de doble sentido. De

esta manera ambos ciclos quedan reducidos a una sola máquina y de la siguiente manera:

Figura 1.Funcionamiento de la bomba de calor reversible. Ciclos verano e invierno.

(Fuente: Bomba de calor. IEE. Universidad de Cantabria)


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La clave de este circuito es la válvula cuarto vías cuyo esquema de funcionamiento se muestra

en la figura 2:

Figura 2.Sección de una válvula cuatro vías en situación de invierno y verano.

(Fuente: Bomba de calor., IEE. Universidad de Cantabria)

Hasta aquí sería una breve descripción de una bomba de calor convencional.

En la las aplicaciones geotérmicas de muy baja temperatura, se pretende extraer el calor del

subsuelo terrestre, para poder calentar un fluido de alta compresibilidad y bajo punto de

vaporización, al objeto de transmitir ese calor a una instalación en invierno, invirtiendo el

proceso en verano. Pero solo es posible extraer calor si la temperatura de entrada geotérmica

es superior a la de retorno del circuito secundario, la cual viene determinada por el tipo de

instalación de calefacción y por la temperatura exterior.

Figura 3.Esquema circuito BCG de invierno y verano.

(Fuente: IFTEC Bomba de calor geotérmica)


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Metodología La metodología de diseño que se utiliza en este proyecto es de la International Ground Source

Heat Pump Association (IGSHPA), y es válida para una primera aproximación de diseño de

sistemas geotérmicos y la utilizada por RETScreen (Gobierno del Canadá).

El método IGSHPA para el diseño de intercambiadores enterrados está basado en la teoría de la

fuente de calor en forma de una línea infinita (Kelvin Line Source Theory) desarrollado por

Ingersoll y Plass. Según esta teoría, un intercambiador de calor que cede o toma calor al/del

suelo se comporta como una fuente/sumidero de calor con un espesor pequeño y una longitud

infinita, y por tanto sólo cede calor en el sentido radial (flujo de calor unidimensional, radial). Es

un método de cálculo estático que asume que el sistema funciona durante un tiempo

determinado a una carga constante y con el suelo a la temperatura más desfavorable, es decir,

el mes de enero para calefacción y el mes de julio para refrigeración, y una temperatura de agua

fija. No tiene en cuenta el efecto de acumulación o disipación de calor del terreno. Durante los

restantes meses la temperatura del aire será más moderada, y por lo tanto la carga calorífica o

frigorífica será menos, y la temperatura del suelo no estará tan fría (en invierno) o tan caliente

(en verano), lo que hará que la temperatura del agua sea más moderada y el sistema funcionara

con un mayor rendimiento. Se basa en varias metodologías que combinadas nos permiten

evaluar la idoneidad de la instalación de una bomba de calor geotérmica.

Este diseño consta de:

1. Demanda necesaria de la vivienda.

a. Ubicación de la vivienda.

b. Planos de la vivienda.

c. Calculo energético.

2. Descripción climatológica del emplazamiento.

3. Descripción geológica del emplazamiento.

4. Descripción térmica del suelo del emplazamiento.

5. Selección de la BCG y de sus componentes.

6. Calculo del sondeo geotérmico

7. Viabilidad económica y ambiental.

Básicamente, los sistemas IGSHP son diseñados mediante el balance carga de calefacción y

refrigeración del edificio con la capacidad de calentamiento y enfriamiento que puede ser

inyectada o extraída del suelo. Como esta carga y esta capacidad está en relación directa con las

variaciones de la temperatura del aire y del suelo, estos datos son necesarios evaluarlos en un

proyecto siguiendo la metodología IGSHP.


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Proyecto de la instalación de

climatización por bomba de calor

geotérmica.

Ubicación de la vivienda

El emplazamiento seleccionado es un solar urbano en Mas Enric 92, una parcela edificable en

Sant Cristofol Castellbell i el Vilar. El precio a fecha 16/7/2017 es de 49.000 € en la inmobiliaria

Habitaclia. Consta de 850 𝑚2 a 58 €/𝑚2. Se ha escogido esta ubicación por ser una parcela para

una casa unifamiliar susceptible de una instalación de este tipo.

Situado entre Castellgali y Monistrol de Montserrat. Entre casas unifamiliares con la entrada

en dirección al este, altitud de 178 metros, latitud y longitud de 41.62 y 1.86, respectivamente

y con referencia catastral de 1911825DG0111S0001QL. (Anexo 1. Ubicación vivienda).

Figura 4. Ubicación de la instalación. Castellbell i el Vilar,


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Planos de la vivienda

(Anexo 2: Planos vivienda)

Alzado:

Figura 5. Alzado de la vivienda.

Perfil:

Figura 6. Perfil de la vivienda

.


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Calculo de la demanda energética de la vivienda

Para el cálculo de la demanda energética de la vivienda se ha utilizado el software Clima V2,

diseñado por la universidad politécnica de Valencia y totalmente gratuito. Es un software con

amplia gama de parámetros y base de datos tanto de zonas climáticas como de materiales de

construcción, donde se puede realizar el cálculo de manera fácil y precisa.

Se ha generado la vivienda en el programa de manera exacta, a excepción de algunos acabados

en cerramientos que se han añadido a convenir, también se han configurado los parámetros de

climatología y orientación correspondientes. A continuación se ha podido generar un informe

(Anexo 3: Calculo demanda vivienda) donde se especifica con detalle toda las características de

la vivienda y parámetros utilizados. Algunos de los datos más importantes y necesarios para el

cálculo de la instalación de energía geotérmica se recopilan en la siguiente tabla:

Demanda y cargas totales de la vivienda

Total cargas refrigeración 7.82 [KW]

Total cargas calefacción 8.32 [KW]

Demanda total refrigeración 1155 [KWh]

Demanda total calefacción 13083 [KWh] Tabla 1. Cargas totales y demanda de la vivienda según Clima V2.

Descripción climatológica

Para la selección de la zona climatológica del emplazamiento, según el DB-HE (Documento

Básico de ahorro de Energía del Código Técnico de la Edificación de España, Anexo 4: DB-HE), se

utiliza la tabla siguiente:

Tabla 2. Zonas climáticas de la península Ibérica


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Según la altura del emplazamiento seleccionado, 178 metros en provincia de Barcelona,

corresponde a la zona C2 con h<250 metros.

Descargando los datos climatológicos de la zona en la misma web oficial del CTE en formato .met

y trasladados a un Excel, donde se recopilan todos los cálculos del proyecto (Anexo 5: Cálculos

BCG), que mediante tabulación correspondiente a:

Figura 7. Encabezado de los datos tabulados.

Se obtienen la informacion donde cada linia de datos se expresa de hora en hora. De estos, se

extrae y recopila la siguiente informacion necesaria:

Datos útiles para los cálculos

Temperatura seca media anual (𝑇0) 14.48 ºC

Td, calefacción (Mínima) -2.5 ºC

Td, refrigeración (Máxima) 32 ºC

Max. Diferencia de temperatura (𝐴0) 11.9 ºC Tabla 3. Temperaturas necesarias para los cálculos.

Descripción geológica del emplazamiento

Para la identificación de la conductividad térmica (W/m·K) de cada tipo de roca y la capacidad

calorífica volumétrica (MJ/m·K) se ha utilizado la siguiente tabla:

Tabla 4.Fuente: Paud, D.Geothermal energy and heat storage. 2002.


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Para el rango de conductividad de la zona se puede usar el Atlas Geotérmico de Cataluña.

Para la profundidad de cada tipo de roca se utiliza la base de datos del Instituto Geológico y

Minero de España. Mediante el Magna50 de la zona de Sabadell (Anexo 6: Magna50_363 y

Anexo 7: Columnas), se hace una estimación de la profundidad de unos 120 metros, ya que es

el máximo de profundidad que se perfora en instalaciones geotérmicas de muy baja entalpia.

Luego se calcula la profundidad de las sondas, y se utiliza esa profundidad para hacer el cálculo

otra vez. En este caso la profundidad utilizada es de 77 metros y sus diferentes rocas de las que

está formado el suelo son las siguientes:

Margas (m) Areniscas (m) Caliza (m)

4 6,4 6

8 5

10 3,7

9,4 2,7

9,2 3,1

5 5

Total Total Total

45.6 25.9 6 Tabla 5. Cantidad en metros de cada tipo de roca.

Teniendo las profundidades, conductividades y el poder calorífico volumétrico de las diferentes

tipos de rocas que presenta el terreno, se pueden calcular las difusividades de cada roca y se

hace una media ponderada para obtener la difusividad total. La difusividad viene determinada

por la siguiente ecuación.

𝐷𝑖𝑓𝑢𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑚2

𝑠) =

𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑟𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑊𝑚𝐾)

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 (𝑀𝐽

𝑚3𝐾)

∗ 10−6 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1)


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En la siguiente tabla vienen detallados los cálculos:

Cálculo difusividad:

Caliza Conductividad (W/mK) 2,8

Capacidad calorífica volumétrica (MJ/𝑚3*K) 2,25

Profundidad (m) 6

Difusividad (𝑚2/s) 1,24444E-06

Difusividad (𝑚2/dia) 0,10752

Marga Conductividad (W/mK) 2,1


Profundidad (m) 45,6



Arenisca Conductividad (W/mK) 2,3


Profundidad (m) 25,9



Difusividad media ponderada en 𝒎𝟐/s 1,00133E-06

Difusividad media en 𝒎𝟐/día 0,087036 Tabla 6. Calculo de la difusividad del terreno

El desfase es otro parámetro necesario para los cálculos, está relacionado íntimamente con la

difusividad. Definido como el tiempo que tarda a estabilizarse la temperatura del terreno con

los cambios de temperaturas exteriores, siempre es de 35 10−+ días según el análisis de Kusuda.

Y como el desfase depende de la difusividad, utilizando el mínima difusividad (bentonita con

0.004 𝑚2/s), la máxima (de la sal con 0.4608 𝑚2/s, siendo su media 0.2324 𝑚2/s), y la difusividad

de estudio, se puede realizar una interpolación para aproximar el desfase.

𝐷𝑒𝑠𝑓𝑎𝑠𝑒 = 35 + (((0.0865 − 0.2324) ∗ (25 − 35))/(0.4608 − 0.2324))

Desfase = 41.36 días.


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Descripción térmica del suelo del emplazamiento

El método para diseñar el sondeo geotérmico necesita conocer la temperatura máxima y mínima

que tendrá el suelo a la profundidad media en donde se encontrará el sondeo. Además estas

temperaturas, también se utilizan para el balance de las cargas térmicas del edificio hacia o

desde el suelo.

Para intercambiadores verticales, como la temperatura prácticamente no varía a partir de los 20

metros hasta los 100 metros, se suele escoger la temperatura media anual del aire ambiente

sobre la superficie del terreno, 𝑇0 (Kavanaugh and Rafferty, 1997).

Para poder estimar la temperatura de un suelo homogéneo con propiedades constantes se

puede utilizar la expresión descrita por Kusuda y Achenbech.

𝑇(𝑧, 𝑡) = 𝑇0 − 𝐴0 ∗ 𝑒−𝑧∗√

𝜋365∗𝛼 ∗ cos(

2 ∗ 𝜋

365∗ (𝑡 − 𝑡0 −

𝑧

2∗ √

𝜋

365 ∗ 𝛼)) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2)

𝑇𝑚𝑖𝑛(𝑧) = 𝑇0 − 𝐴0 ∗ 𝑒−𝑧∗√

𝜋365∗𝛼 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3)

𝑇𝑚𝑎𝑥(𝑧) = 𝑇0 + 𝐴0 ∗ 𝑒−𝑧∗√

𝜋365∗𝛼

(𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 4)

Donde,

𝑇(𝑧, 𝑡), es la temperatura del terreno en función de la profundidad “z” en metros, y el día del

año “t”.

𝑇0, es la temperatura media anual del terreno en ºC que corresponde con la temperatura media

anual del aire ambiente sobre la superficie del terreno.

𝐴0, corresponde a la máxima diferencia de temperatura anual del aire sobre la superficie del

terreno.

𝛼, es la difusividad térmica del terreno en 𝑚2/día, depende del tipo de suelo y el contenido en

agua.

𝑡0, es el desfase en días, se refiere al desplazamiento de la temperatura superficial con la

profundidad; un valor típico de este parámetro es 35 10−+ según el análisis de Kusuda.

Con todos estos parámetros ya calculados, se calculan todas las temperaturas máximas y

mínimas 𝑇(𝑧) de medio metro en medio metro. También se calculan de cada primero de mes

las temperaturas 𝑇(𝑧, 𝑡) para cada profundidad hasta 20 metros. De tal manera que se

consiguen los siguientes gráficos:

Datos

𝑇0 14.48 ºC

𝐴0 11.9 ºC

𝛼 0.0865 𝑚2/dia

𝑡0 41.39 días Tabla 7. Recopilación de datos para realizar el grafico.


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Ya que quedan dos variables, temperatura y profundidad, se pueden realizar las siguientes

graficas:

Figura 7. Grafica de temperaturas máximas y mínimas del terreno según profundidad.

Figura 8. Grafica de temperaturas del terreno según profundidad y para cada mes.

De tal manera que se observa que a partir de unos 11 metros, la temperatura del terreno será

de unos 14 ºC. No obstante, a partir de los 20 metros más o menos la temperatura asciende

unos 0.03 ºC/m. Por lo tanto, la gráfica queda de la siguiente manera:

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Tmáx

Tmín

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

Profundidad (m)

Evolución de la temperatura del suelo

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre

Diciembre


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Figura 9. Gráfica de temperaturas del terreno según profundidad hasta 120 metros.

Selección de la BCG

Temperaturas bin

Con el fin de discretizar la temperatura climatológica para el posterior cálculo de la potencia

necesaria de la instalación y así poder analizar la situación con mejor perspectiva, se generan los

incrementos de temperatura, llamadas temperaturas bin. Esto es posible gracias a la base de

datos climatológicos de la zona C2. De esta manera se puede expresar de manera gráfica las

horas anuales de ocurrencia de cada rango de temperaturas.

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120 140

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

Profundidad (m)

Evolución de la temperatura del suelo

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre

Diciembre


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En la siguiente tabla se expresan las temperaturas bin con sus horas de ocurrencia totales y las

de los dos meses que representan las temperaturas máximas y mínimas del año:

Incremento de temperaturas (temperatura bins)

Temperatura media (𝑻𝟎,𝒊)

Horas anuales de ocurrencia

𝐡(𝐓𝟎,𝐢)

Horas anuales de ocurrencia en Enero

Horas anuales de ocurrencia en Julio

-3 a 0 -1 32 12 0

0 a 2 1 116 42 0

2 a 4 3 217 54 0

4 a 6 5 462 86 1

6 a 8 7 780 147 1

8 a 10 9 953 169 5

10 a 12 11 986 131 25

12 a 14 13 973 65 41

14 a 16 15 849 27 44

16 a 18 17 798 11 66

18 a 20 19 674 0 80

20 a 22 21 546 0 83

22 a 24 23 463 0 96

24 a 26 25 365 0 92

26 a 28 27 277 0 90

28 a 30 29 174 0 61

30 a 32 31 95 0 59

Total 8760 744 744 Tabla 8. Temperaturas bin.

Figura 10. Gráfica de horas de ocurrencia.

32116

217

462

780

953 986 973

849798

674

546463

365277

17495

0

200

400

600

800

1000

1200

-3 a0

0 a 2 2 a 4 4 a 6 6 a 8 8 a10

10 a12

12 a14

14 a16

16 a18

18 a20

20 a22

22 a24

24 a26

26 a28

28 a30

30 a32

Horas anuales de ocurrencia


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Figura 11. Gráfica de horas anuales de ocurrencia en Enero.

Figura 12. Gráfica de horas anuales de ocurrencia en Julio.

12

4254

86

147

169

131

65

27

110 0 0 0 0 0 0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-3 a 0 0 a 2 2 a 4 4 a 6 6 a 8 8 a10

10 a12

12 a14

14 a16

16 a18

18 a20

20 a22

22 a24

24 a26

26 a28

28 a30

30 a32

Horas anuales de ocurrencia en Enero

0 0 0 1 15

25

41 44

66

80 83

9692 90

61 59

0

20

40

60

80

100

120

-3 a 0 0 a 2 2 a 4 4 a 6 6 a 8 8 a10

10 a12

12 a14

14 a16

16 a18

18 a20

20 a22

22 a24

24 a26

26 a28

28 a30

30 a32

Horas anuales de ocurrencia en Julio


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Calculo coeficientes invierno

Basándose en que la carga de calefacción o refrigeración (�̇�) de la vivienda es proporcional a la

temperatura exterior (𝑇0, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑠𝑒 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 0.95 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟𝑎𝑟𝑙𝑎),

ambos datos conocidos;

�̇� = 𝑐0 + 𝑐1 ∗ 𝑇0

La siguiente imagen muestra gráficamente la ecuación de la recta y la distribución de

temperaturas bins:

Figura 13.Fuente: Clean energy Project analtysis:

Retscreen engineering & cases textbook

Minister of Natural Resources Canada. 2005

Donde aplicando la situación de invierno,

�̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑐0 + 𝑐1 ∗ 𝑇𝑑,𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5)


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E integrándola sobre la distribución de temperaturas bins:

𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = ∑

𝑝

𝑖 = 1(𝑐0 + 𝑐1 ∗ 𝑇0,𝑖) ∗ ℎ(𝑇0,𝑖) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6)

Donde 𝑇0,𝑖 es la temperatura media exterior para cada intervalo de temperaturas, y ℎ(𝑇0,𝑖) és

el número de horas de temperatura exterior 𝑇0,𝑖 en la estación de calefacción y Q la carga total

de calefacción para el periodo de invierno, en KWh. Los intervalos de temperatura que se deben

considerar para el cálculo deben ser inferiores a la temperatura de balance.

Resolviendo y operando las ecuaciones;

𝑐0 =

[ �̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 ∗ ∑

𝑝

𝑖 = 1(𝑇0,𝑖) ∗ ℎ(𝑇0,𝑖) − 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 ∗ 𝑇𝑑,𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓

∑

𝑝

𝑖 = 1(𝑇0,𝑖) ∗ ℎ(𝑇0,𝑖) − 𝑇𝑑,𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓 ∗ ∑

𝑝

𝑖 = 1ℎ(𝑇0,𝑖)

]


𝑐1 = [𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛−�̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛∗∑

𝑝

𝑖=1ℎ(𝑇0,𝑖)

∑𝑝

𝑖=1(𝑇0,𝑖)∗ℎ(𝑇0,𝑖)−𝑇𝑑,𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓∗∑

𝑝

𝑖=1ℎ(𝑇0,𝑖)

] , 𝑇𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 =−𝑐0

𝑐1 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 8 𝑦 9)

Se realiza un cálculo interactivo hasta conseguir que las temperaturas utilizadas sean inferiores

a la temperatura de balance.

Tabla 9. Calculo de coeficiente de invierno y temperatura de balance.

Calculo de los coeficientes de invierno

kW Toi h Toi*h c0 c1 T balance

Q diseño calefacción 8,32 -1 32 -32 7,35 -0,40 18,10

Q diseño refrigeración 7,5 1 116 116 7,18 -0,47 15,03

kWh 3 217 651 7,25 -0,45 16,04

Q total calefacción 13083 5 462 2310 7,48 -0,35 21,08

Q total refrigeración 1155 7 780 5460

ºC 9 953 8577

Td, calefacción -2,375 11 986 10846

Td, refrigeración 30,4 13 973 12649

Suma : De -1 a 31 ºC Suma 1: De -1 a 15 ºC Suma 2: De -1 a 11 ºC Suma 3: De -1 a 9 ºC

15 849 12735

17 798 13566

19 674 12806

21 546 11466

23 463 10649

25 365 9125

27 277 7479

29 174 5046

31 95 2945

Suma 8760 126394

Suma 1 5368 53312

Suma 2 3546 27928

Suma 3 2560 17082


P á g i n a 22 | 54

Resolviendo la ecuación inicial, para calefacción, con el valor de los dos coeficientes calculados

y para cada una de las temperaturas bins, se calcula la carga de diseño de calentamiento para

cada incremento de temperatura bin. Con lo que realizando la gráfica carga- 𝑇0,𝑖;

Figura 14. Gráfica de carga de calefacción según la temperatura bin.

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Carga de calefacción (kW)


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Cálculo coeficientes verano

Para el cálculo de coeficientes de verano se realiza la misma operación que en los coeficientes

de invierno con la diferencia que la temperatura 𝑇0 a utilizar, en lugar de ser la 𝑇𝑑,𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓(mínima)

se utilizara 𝑇𝑑,𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 (máxima). De la misma manera la 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛y la �̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛

se utilizaran las de refrigeración, siendo estas 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 y �̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛. Las

temperaturas bin son las mismas, pero para calcular la temperatura de balance, y reiterar el

cálculo, esta debe de estar por debajo de las temperaturas bin utilizadas. De tal manera que el

gráfico de invierno y verano nos indica a que no hay conflicto entre las cargas de diseño entre

invierno y verano ya que hay un intervalo entre ambas en el que no es necesario climatización.

Calculo de los coeficientes de verano

kW Toi h Toi*h c0 c1 T balance

Q diseño calefacción 8,32 -1 32 -32

-6,52 0,46 14,14

Q diseño refrigeración 7,5 1 116 116

-14,12 0,71 19,85

kWh 3 217 651 -27,04 1,14 23,80

Q total calefacción 13083 5 462 2310 -48,19 1,83 26,31

Q total refrigeración 1155 7 780 5460

-71,71 2,61 27,52

ºC 9 953 8577

Td, calefacción -2,375 11 986 10846

Td, refrigeración 30,4 13 973 12649

Suma : De -1 a 31 ºC Suma 1: De 11 a 31 ºC Suma 2: De 13 a 31 ºC Suma 3: De 15 a 31 ºC Suma 4: De 29 a 31 ºC

15 849 12735

17 798 13566

19 674 12806

21 546 11466

23 463 10649

25 365 9125

27 277 7479

29 174 5046

31 95 2945

Suma 8760 126394

Suma 1 4241 85817

Suma 2 1920 46710

Suma 3 911 24595

Suma 4 546 15470 Tabla 10. Calculo de coeficiente de verano y temperatura de balance.


P á g i n a 24 | 54

Representación gráfica de la carga de refrigeración y calefacción según temperaturas bin:

Figura 15. Gráfica de carga de calefacción y refrigeración según temperaturas bin.

Cargas térmicas

Para saber que carga se necesita para cada intervalo de temperatura se realiza la gráfica entre

las temperaturas bin y las cargas necesarias en invierno y en verano. Los valores negativos se

interpretan como que no es necesario dicha carga, de tal manera que se distinguen tres zonas;

zona de invierno, zona de verano y zona sin necesidad de climatización.

Figura 16. Grafica de necesidad energética según temperaturas bin.

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Carga de calefacción(kW)

Carga de refrigeración(kW)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

kW

Toi

Building load (kW)


P á g i n a 25 | 54

Selección de la BCG

Para la elección de la bomba de calor más adecuada se utiliza una tabla de algún catalogo como

la extraída de el catalogo Trane (Anexo 8: Catalogo BCG):

Cargas totales de la vivienda


Total cargas calefacción 8.32 [KW] Tabla 11. Potencias necesarias según Clima V2.

Basándose en las potencias caloríficas y de refrigeración requeridas, y teniendo en cuenta que

es mejor que la bomba trabaje de forma continua para ahorrar electricidad en arrancadas y

paradas, se elige el modelo 5. Esta tendrá que estar más horas de las previstas, de manera que

se mejorara el rendimiento de la instalación ya que trabajará más horas.

Potencias de la bomba y caudal

Potencia refrigeración 5.77 [KW]

Potencia calorífica 7.04 [KW]

Caudal 1.49 [𝑚3/ℎ] Tabla 12. Potencias y caudal de la bomba seleccionada según catálogo.

Para comprobar el caudal necesario mínimo para cada situación se utiliza la expresión de

transferencia de calor a presión constante,

𝑄 = 𝜌 ∗ 𝐶𝑝 ∗ �̇� ∗ ∆𝑇 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 10)

Siendo,

Q, calor transferido de invierno o verano [KW].

𝜌, densidad del agua [Kg/𝑚3].

𝐶𝑝, calor especifico [J·𝑔−1·𝐾−1].

�̇�, caudal de invierno o verano [𝑚3/𝑠].

∆𝑇, incremento de temperaturas del sonde en invierno o verano [K o ºC].


P á g i n a 26 | 54

Resultando así:

Caudales de diseño [𝑚3/ℎ].

Invierno 1.21

Verano 0.99 Tabla 13. Caudales necesarios mínimos.

Se comprueba que los caudales requeridos no son superiores al caudal máximo que la bomba

seleccionada puede suministrar.

Para formular la eficiencia de la maquina se expresa por medio de un coeficiente

internacionalmente aceptado, conocido como COP (Coeficient of Perfomance), y que se define

como el cociente entre la energía útil (potencia calorífica o de refrigeración según sea invierno

o verano) obtenida de la máquina y la energía de todo tipo que dicha maquina ha consumido en

el proceso (potencia eléctrica absorbida en W).

Rendimientos

CCOP 3.22

HCOP 3.23 Tabla 14. Rendimientos de la bomba de calor.

También es necesario determinar las temperaturas de entrada/salida de suministro y sondeo

tanto de invierno como de verano. Las temperaturas máxima de suministro, para la gran mayoría

de equipos según catálogo, es de 50 ºC con un salto térmico máximo de 5 ºC. Para el caso de

refrigeración suelen ser del orden de 7 ºC para la temperatura de impulsión. Para las

temperaturas de entrada al sondeo en invierno y verano, lo habitual suelen ser de 5 y 35 ºC

respectivamente, con un salto térmico de 5 ºC. Recopilando datos:

Agua Entrada sondeo Salida sondeo Entrada residencia

Salida residencia

Temperatura verano (º C)

35 30 7 12

Temperatura invierno (º C)

5 10 45 40

Tabla 15. Temperaturas de entrada/salida de los intercambiadores.


P á g i n a 27 | 54

Calculo del sondeo geotérmico

Factor de carga

El factor de carga o utilización es la relación entre la demanda térmica del edificio durante una

estación (calefacción y refrigeración), dividido por la potencia de la bomba de calor.

𝐹 =�̇�

�̇�𝑚𝑎𝑥


Normalmente este factor es evaluado para los meses más desfavorables (enero y julio).

Con la relación de la carga térmica ya calculada para cada una de las temperaturas bin y la

potencia de la bomba se obtiene la proporción de uso para cada temperatura, con la que se

utiliza para estimar el número de horas necesarias para la climatización de cada temperatura

bin de enero y julio. Donde “F” será la relación entre las horas de marcha en calefacción o

refrigeración entre las horas totales del mes de julio o enero.

�̇� = 𝑐0 + 𝑐1 ∗ 𝑇0 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 12)

𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 =�̇�

�̇�𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟


𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 𝐵𝐶

= 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎− 𝑛º 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 14)

𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = ∑ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑇 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 15)

𝐹 =𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 16)

Así los factores “F” del cálculo son:

Factor F

Calefacción 0.47

Refrigeración 0.18 Tabla 16. Factores de corrección


P á g i n a 28 | 54

Temperatura del agua

Para el cálculo de la temperatura mínima de entrada al evaporador en invierno o la temperatura

máxima de entrada al condensador en verano se utiliza un balance térmico del intercambiador

utilizando el rendimiento COP para cada una de las situaciones, concluyendo en las siguientes

expresiones:

Extracción de calor:

𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑐 = 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑐 −�̇�𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓 ∗

𝐻𝐶𝑂𝑃 − 1𝐻𝐶𝑂𝑃

𝑐𝑝 ∗ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ �̇� (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 17)

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑖𝑛 =𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑐 + 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑐

2 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 18)

Temperaturas extracción de calor (ºC)

𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑐 7.2

𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑐 10

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑖𝑛 8.6 Tabla 17. Temperaturas intercambiador enterrado en invierno.

Inyección de calor:

𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑓 = 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑓 +�̇�𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 ∗

𝐶𝐶𝑂𝑃 − 1𝐶𝐶𝑂𝑃

𝑐𝑝 ∗ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ �̇� (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 19)

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑎𝑥 =𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑓 + 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑓

2

Temperaturas inyección de calor (ºC)

𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑓 34.3

𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑓 30

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑎𝑥 32.2 Tabla 18. Temperaturas intercambiador enterrado en verano.

Donde,

𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑐 Temperatura de salida del intercambiador enterrado en modo calefacción.

𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑐 Temperatura de entrada del intercambiador enterrado en modo calefacción.

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑖𝑛 Temperatura mínima de entrada del intercambiador enterrado en modo calefacción.

𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑓 Temperatura de salida del intercambiador enterrado en modo refrigeración.

𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑓 Temperatura de entrada del intercambiador enterrado en modo refrigeración.

𝑇 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑎𝑥 Temperatura máxima de entrada del intercambiador enterrado en modo refrigeración.

𝑐𝑝 Calor especifico del agua, 4.18 J/g*K

𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 Densidad del agua, 1000 Kg/𝑚3

�̇� Caudal de la bomba de calor, 0.00041389 𝑚3/𝑠

�̇�𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓 Potencia calorífica de la bomba de calor, 7.04 KW

𝐻𝐶𝑂𝑃 HCOP calculado de características de la bomba de calor, 3.23.

�̇�𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 Potencia frigorífica de la bomba de calor, 5.77 KW

𝐶𝐶𝑂𝑃 CCOP calculado de características de la bomba de calor, 3.22. Tabla 19. Parámetros de las ecuaciones de temperatura.


P á g i n a 29 | 54

Resistencia térmica de la tubería

La resistencia térmica de la tubería viene dada por la expresión:

𝑅𝑡 =1

2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑘∗ 𝑙𝑛 (

𝐷0

𝐷1) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 20)

Donde,

𝑅𝑡, es la resistencia térmica (K/(W/m))

𝑘, conductividad térmica del material (W/m*K)

𝐷0, diámetro exterior tubo (m)

𝐷1, diámetro interior tubo (m)

El tipo de tubería utilizado por RETScreen GSHP (Anexo 9: RETScreen, modelo de cálculo de

Canadá del cual se basa este proyecto) es de las siguientes dimensiones:

Dimensiones tubería

Diámetro exterior 32 mm

Diámetro interior 26.2 mm

Diámetro nominal 31.8 mm Tabla 20. Diámetros de la tubería.

Para la selección del material de las tuberías, quizás la mejor conductividad de calor conocida

sea la de materiales metálicos, pero, al estar constituidos los captadores por simples tubos,

generalmente de poca sección para mejorar el contacto del fluido con las paredes de dicho tubo,

los problemas de corrosión que la agresividad del tiempo produce, supondrían un elevado coste

de mantenimiento. Por ello, y dada la amplia gama de variedades de plásticos derivados del

petróleo en el mercado, se elige, en la mayoría de los casos, un intercambiador del tipo PVC o

alguno de la familia de los propilenos, que une una buena conducción del calor a una flexibilidad

que facilita su instalación. En este caso se selecciona polibutileno con conductividad de 0.33

W/mK según el Manual Técnico de Polibutileno de Terrain SDP (Anexo 10: Manual técnico

Polibutileno). Asi que aplicando los datos a la ecuación de la resistividad térmica se obtiene un

valor de 0,096 K/(W/m).

Resistividad térmica del suelo

La resistencia térmica media del suelo es la inversa de la conductividad térmica del terreno. Del

Atlas Geotérmico de Cataluña se puede realizar una media de las conductividades y su inversa

seria la resistividad media. Pero teniendo las profundidades de cada tipo de roca calculadas en

el apartado de difusividad, se realiza una media ponderada de cada conductividad y así obtener

una resistividad más aproximada de 0.45 m*K/W.


P á g i n a 30 | 54

Longitud de las sondas verticales

La longitud requerida en el ciclo de invierno de la bomba de calor (extracción de calor del

subsuelo), viene dada por la siguiente expresión:

𝐿𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 = �̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 [

(𝐻𝐶𝑂𝑃 − 1)𝐻𝐶𝑂𝑃

∗ (𝑅𝑡 + 𝑅𝑠𝐹𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓)

𝑇𝑚𝑖𝑛(𝑧) − 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑖𝑛] (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 21)

Donde:

HCOP, Heating Coefficient Operate Performance

𝑅𝑡, es la resistencia térmica de la tubería

𝑅𝑠, es la resistencia térmica media del suelo

𝐹𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓, es el factor de carga para calentamiento

𝑇𝑚𝑖𝑛(𝑧), es la temperatura media del terreno

𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑖𝑛, es la temperatura mínima media de diseño del agua a la entrada/salida de la

sonda geotérmica, salida/entrada de la bomba de calor.

En el caso de refrigeración:

𝐿𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = �̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 [

(𝐶𝐶𝑂𝑃 + 1)𝐶𝐶𝑂𝑃 ∗ (𝑅𝑡 + 𝑅𝑠𝐹𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖)

𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑚𝑎𝑥(𝑧)] (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 22)

Estas ecuaciones son una simplificación de la desarrollada por Ingersoll y presentada por

Kavanaugh and Rafferty (19997). No tienen en cuenta el posible desequilibrio térmico a largo

plazo que podría alterar la temperatura del suelo, si existen diferencias significativas entre el

calor inyectado y extraído al suelo durante un largo periodo de años.

Sin embargo esta simplificación es aceptable en el caso de un estado de evaluación preliminar y

para equipos de pequeña potencia.

Con el valor de la longitud necesaria y dividiéndola por 2*120 metros (ya que la sondas son de

bajada y subida) que son lo máximo que pueden tener cada pozo, sabremos el número de pozos

necesarios y la longitud de cada pozo.

Resultados

Longitud (m) Nº pozos Long. pozo

Calefacción 301.97 2 75.49

Refrigeración 98.68 1 49.34 Tala 21. Resultados de las longitudes de sonda calculadas.

Ya que la instalación debe soportar las necesidades hasta en la peor situación climatológica que

le presente el año, como primera opción se escoge la longitud de calefacción. Si utilizásemos la


P á g i n a 31 | 54

longitud de sonda de verano en la ecuación de invierno, comprobaríamos que la temperatura

media del agua del intercambiador sería demasiado baja, es decir, faltaría longitud de sonda

para aumentar la temperatura.

Temperatura del agua y COP

Se necesita valorar la idoneidad de la bomba de calor para las condiciones de carga del edificio

y la cantidad de calor que se extrae/inyecta al subsuelo, y si la suposición de igualdad de flujos

de calor es más o menos correcta. Para ello debemos calcular:

El calor que da o extrae la edificación de la bomba de calor en función de las temperaturas del

agua del intercambiador.

La potencia del intercambiador de calor para las diferentes temperaturas exteriores.

Se necesita evaluar el COP y su correspondiente capacidad para cada temperatura exterior. Para

ello hay que calcular la temperatura media del agua a la entrada/salida del sondeo o la unidad

exterior. Mediante interpolación lineal:

𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑇𝑚𝑖𝑛 + (𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑖𝑛

𝑇𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 − 𝑇𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜)

∗ (𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 23)

Donde, 𝑇𝑚𝑖𝑛 representa el punto donde la curva corta el eje “y”.

Figura 17. Recta de la temperatura del agua según la temperatura exterior.


P á g i n a 32 | 54

Resumiendo en una tabla los datos necesarios para el cálculo de la temperatura del agua de la

bomba de calor en relación a la temperatura exterior:

Tabla 22. Temperaturas media del agua de la BC para cada temperatura bin.

El rendimiento de una bomba de calor se puede considerar que depende de la temperatura

media de entrada del agua. Hay autores (Tarnawski (1990)) que emplean aproximaciones en

donde el rendimiento es solo función de la temperatura del agua de entrada. El COP y la

capacidad de enfriamiento o calentamiento se modelan como una relación cuadrática con la

temperatura media de entrada del agua:

𝐶𝑂𝑃𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝐶𝑂𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 ∗ (𝑘0 + 𝑘1 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑘2 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎2 ) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 24)

�̇�𝑐/𝑒 = 𝑋 ∗ (𝜆0 + 𝜆1 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝜆2 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎2 ) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 25)

Donde los coeficientes son:

Coeficientes Refrigeración Calefacción

COP

k0 1,53E+00 1,00E+00

k1 -2,30E-02 1,56E-02

k2 6,87E-05 -1,59E-04

Capacidad

λ0 1,41E+00 6,68E-01

λ1 -2,56E-03 2,80E-02

λ2 -7,25E-05 -1,06E-04 Tabla 23. Coeficientes para el COP y la carga.

X, se denomina el multiplicador de capacidad y se calcula en función de si se escoge la longitud

del intercambiador enterrado para condiciones de calefacción o de refrigeración.

Para criterio de refrigeración:

𝑋 =�̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛

(𝜆0 + 𝜆1 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑎𝑥 + 𝜆2 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎2 )


Incremento de

temperaturas

(temperature bins) Toi h (hours) January (h) July (h)

Rest of year

(h)

Building

load (kW)

Water

temperature in

heat pump (ºC)

-3 a 0 -1 32 12 0 20 7,66 9,59

0 a 2 1 116 42 0 74 6,71 11,03

2 a 4 3 217 54 0 163 5,75 12,47

4 a 6 5 462 86 1 375 4,79 13,90

6 a 8 7 780 147 1 632 3,84 15,34

8 a 10 9 953 169 5 779 2,88 16,78

10 a 12 11 986 131 25 830 1,93 18,22

12 a 14 13 973 65 41 867 0,97 19,66

14 a 16 15 849 27 44 778 0,01 21,10

16 a 18 17 798 11 66 721 0,00 22,54

18 a 20 19 674 0 80 594 0,00 23,98

20 a 22 21 546 0 83 463 0,00 25,42

22 a 24 23 463 0 96 367 0,00 26,86

24 a 26 25 365 0 92 273 0,00 28,29

26 a 28 27 277 0 90 187 0,00 29,73

28 a 30 29 174 0 61 113 1,03 31,17

30 a 32 31 95 0 59 36 10,27 32,61

Total 8760 744 744 7272 AVERAGE


P á g i n a 33 | 54

Para criterio de calefacción:

𝑋 =�̇�𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑓𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛

(𝜆0 + 𝜆1 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚𝑖𝑛 + 𝜆2 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎2 )


HCOP current CCOP current X heating design criteria

X cooling design criteria

3,66 9,24 5,98

3,72 9,24 5,98

3,78 9,24 5,98

3,83 9,24 5,98

3,88 9,24 5,98

3,93 9,24 5,98

3,98 9,24 5,98

4,02 9,24 5,98

4,06 9,24 5,98

2,84 9,24 5,98

2,76 9,24 5,98

3,78 2,80 Tabla 24. Rendimientos y multiplicador de capacidad.

Con esta X, se puede calcular el calor inyectado en verano al suelo y extraído del suelo en

invierno. Con la expresión antes comentada, para cada temperatura de agua de entrada:

�̇�𝑐/𝑒 = 𝑋 ∗ (𝜆0 + 𝜆1 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝜆2 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 𝑎𝑔𝑢𝑎2 ) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 28)

La carga del intercambiador de calor se relaciona con la capacidad útil de la bomba de calor, a

través de:

Para enfriamiento:

�̇�𝑒 = �̇�𝑐𝑜𝑛𝑑,𝑓 ∗𝐶𝐶𝑂𝑃

𝐶𝐶𝑂𝑃 + 1 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 29)

�̇�𝑐𝑜𝑛𝑑,𝑓, es el calor inyectado en el intercambiador enterrado por el condensador de la bomba

de calor en operación de verano.

Para calefacción:

�̇�𝑐 = �̇�𝑒𝑣𝑎𝑝,𝑐 ∗𝐻𝐶𝑂𝑃

𝐻𝐶𝑂𝑃 − 1 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 30)


P á g i n a 34 | 54

�̇�𝑒𝑣𝑎𝑝,𝑐, es el calor extraído en el intercambiador enterrado por el evaporador de la bomba de

calor en operación de invierno.

Con estos datos, ahora se puede valorar si la bomba está sobredimensionada o

subdimensionada (potencia de la bomba versus carga térmica del edificio). También se puede

valorar si existe compensación o no entre el calor extraído e inyectado al subsuelo.

Tabla 25. Inyección o extracción de energía del/al subsuelo.

Tabla 26. Inyección o extracción de energía al interior de la vivienda.

Recordando las necesidades energéticas de la vivienda,

Demanda y cargas totales de la vivienda


Total cargas calefacción 8.32 [KW]

Demanda total refrigeración 1155 [KWh]

Demanda total calefacción 13083 [KWh] Tabla 27. Demanda y carga de la vivienda.

Qevaporator

(Winter)

(kW)

Qevaporator

(Winter)

(kWh)

Qcondenser

(Summer)

(kW)

Qcondenser

(Summer)

(kWh)

Qevaporator

(Winter)

(kW)

Qevaporator

(Winter)

(kWh)

Qcondenser

(Summer)

(kW)

Qcondenser

(Summer)

(kWh)

8,56 273,86 5,54 177,26

8,90 1032,52 5,76 668,32

9,24 2005,04 5,98 1297,80

9,57 4423,45 6,20 2863,17

9,91 7726,11 6,41 5000,88

10,23 9750,98 6,62 6311,53

10,55 10406,67 6,83 6735,93

10,87 10579,35 7,04 6847,70

11,65 2027,74 7,54 1312,50

11,56 1098,03 7,48 710,72

9,57 35618,63 11,61 3125,77 6,19 23054,90 7,51 2023,22

Injection or extraction soil heat (Cooling criteria)Injection or extraction soil heat (Heating criteria)

(Condenser)

Evaporator

heating capacity

(kW) Winter

(Evaporator)

Condenser

cooling capacity

(kW) Summer

Condenser

heating capacity

(kWh) Winter

Evaporator

cooling capacity

(kWh) Summer

(Condenser)

Evaporator heating

capacity (kW)

Winter

(Evaporator)

Condenser cooling

capacity (kW)

Summer

Condenser

heating capacity

(kWh) Winter

Evaporator

cooling capacity

(kWh) Summer

11,77 376,62 7,62 243,78

12,17 1411,81 7,88 913,82

12,57 2726,98 8,13 1765,09

12,96 5986,37 8,39 3874,80

13,34 10407,77 8,64 6736,65

13,72 13079,22 8,88 8465,79

14,10 13903,13 9,13 8999,09

14,47 14081,54 9,37 9114,57

8,62 1500,16 5,58 971,01

8,48 805,79 5,49 521,56

12,95 8,55 47891,89 2305,94 8,38 5,54 30999,02 1492,57

Inside unit (Cooling criteria)Inside unit (Heating criteria)


P á g i n a 35 | 54

Y las limitaciones de la bomba seleccionada,




Caudal 1.49 [𝑚3/ℎ] Tabla 25. Potencias de la bomba.

Se puede afirmar que el sondeo tiene la capacidad suficiente para la climatización de la vivienda

tanto en invierno como en verano. No obstante, hay que comprobar la sensibilidad del terreno

a estos intercambios de temperatura a largo plazo para acabar de garantizar su durabilidad.

Gráficas de los resultados:

Figura 18. Gráfica temperaturas bin-BC

Figura 19. Gráfica KW-Temperatura bin en invierno

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

-1 3 7 11 15 19 23 27 31

ºC

Toi (ºC)

Water temperature in heat pump (ºC)

Water temperature inheat pump (ºC)

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

-1 1 3 5 7

kW

Toi (ºC)

Q evaorator Coolingcriteria

Qcondenser coolingcriteria

Qevaporator heatingcriteria

Qcondensadorheating criteria

Lineal (Q evaoratorCooling criteria)

Lineal (Qcondensercooling criteria)


P á g i n a 36 | 54

Figura 20. Gráfica KW-Temperatura bin en verano.

Figura 21. Gráfica de rendimientos según temperatura bin.

0

2

4

6

8

10

12

14

15 17 19 21 23 25 27 29 31

kW

Toi (ºC)

Qcondenser coolingcriteria

Qevaporator coolingcriteria

Qcondenser heatingcriteria

Qevaporator heatingcriteria

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

-10 0 10 20 30 40

kW

Toi (ºC)

HCOP current

CCOP current


P á g i n a 37 | 54

Sensibilidad del terreno

Para “N” sondeos, se cumple:

Figura 22. Esquema de la superficie para cada sondeo..

Superficie unitaria = 𝑒2

Superficie total = 𝑁 · 𝑒2

Volumen total = 𝐻 · 𝑁 · 𝑒2

Donde pensando que el campo de captación como una masa de terreno con distribución

cuadrada (L*L), propiedades térmicas homogéneas y distribución de potencias homogénea:

𝐿 ∗ 𝐿 = 𝑁 · 𝑒2 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 31)

𝐿 = 𝑒 ∗ √𝑁 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 32)

Figura 23. Representación esquemática del volumen de tierra por sondeo.


P á g i n a 38 | 54

Recopilación de datos necesarios:

Invierno Verano

Separación (m) e 18 18

Profundidad (m) H 75.49 75.49

Pozos N 2 2

Carga (calef/refrig) (KWh) Q 35619 3126

Q intercambiador (KW) KW 9.57 11.61

Capacidad especifica promedio suelo(J/𝑚3𝑘) 𝐶𝑝 2.2*106 2.2*106

Conductividad (W/mk) k 2.21 2.21

Volumen (𝑚3) V 49248 49248

Capacidad especifica total (J/𝑘) C 1.09*1011 1.09*1011

Capacidad especifica total (KWh/k) C 3*104 3*104

Longitud lateral (m) L 25.5 25.5

Temperatura seca media anual del suelo (ºC) 𝑇0 14.48 14.48 Tabla 28. Parámetros necesarios para los cálculos.

La separación entre sondeos. Basándose que la mínima separación estipulada es 8 metros y que

la gráfica de temperaturas resultante de este cálculo debe de estabilizarse, se ha ido

aumentando hasta conseguir un modelo estable.

La profundidad y pozos son los necesarios para la calefacción.

La carga y la potencia es la que se transmite al suelo calculado mediante los rendimientos de la

bomba de calor.

La capacidad específica y la conductividad es la media ponderada respecto la profundidad de

las diferentes capacidades específicas de las distintas rocas hasta los 85 metros.

Teniendo en cuenta que se conocen las propiedades (densidad, calor especifico y conductividad)

y las dimensiones (superficie de cada lado y volumen), se calcula la capacidad calorífica

volumétrica media de los diversos estratos involucrados (𝐶𝑝(J/m^3 ∗ 𝐾)) y la capacidad

calorífica total (J/K),

𝐶 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 = 𝐶𝑝 ∗ 𝐻 · 𝑁 · 𝑒2 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 33)

Bajo la hipótesis de paredes de la zona de sondeo adiabática y considerando que el calor

inyectado o extraído del suelo solo incrementa o disminuye la temperatura del suelo.

𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ Δ𝑇 = 𝐶𝑝 ∗ 𝐻 · 𝑁 · 𝑒2(𝑇0,𝑧 − 𝑇1,𝑧,𝑤) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 34)

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ Δ𝑇 = 𝐶𝑝 ∗ 𝐻 · 𝑁 · 𝑒2(𝑇1,𝑧,𝑠 − 𝑇0,𝑧) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 35)

Que despejando el incremento de temperatura y teniendo en cuenta que hay dos sondeos, en

ambos casos se expresa como,

∆𝑇 =𝑄

𝐶 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 36)


P á g i n a 39 | 54

Se calcula la temperatura que alcanzaría esta masa de roca si se extrae o inyecta esta cantidad

de calor durante un año.

𝑇1,𝑧 = 𝑇0,𝑧 + 𝑇1,𝑧,𝑠 − 𝑇1,𝑧,𝑤 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 37)

∆𝑇 (ºC) 𝑇1,𝑧 (ºC)

Invierno 1.18 13.31

Verano 0.10 14.59

Anual 1.29 13.95 Tabla 29. Incrementos de temperatura anual del subsuelo.

Se entiende este proceso como lineal a lo largo de los años.

Al variar la temperatura del suelo respecto al resto, y considerando una distancia de “L” donde

se producirán oscilaciones térmicas, podemos calcular el calor disipado o ganado mediante la

siguiente expresión:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑟𝑜𝑐𝑎 =𝐾 ∗ 𝐴

𝐿∗ Δ𝑇 =

𝑘 ∗ (4 ∗ ((𝐻 + 𝐿) ∗ (𝑒 ∗ √𝑁 + (2 ∗ 𝐿))) + ((𝑒 ∗ √𝑁 + 2 ∗ 𝐿)2))

𝐿(𝑇0,𝑧 − 𝑇1,𝑧) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 38)

Figura 24. Esquema de la superficie por sondeo..

Y dividiendo por las horas anuales, 8760 horas, se obtiene una energía total en KWh, y esta al

dividirla por la capacidad especifica del terreno se obtienen las diferencias de temperaturas tras

los intercambios de calor entre el intercambiador enterrado y el suelo.

Año Potencia perdida (KW)

Calor perdido o ganado (KWh)

Temperatura ganada o perdida (ºC)

1 0 0 0

2 1.39 12156 0.32

3 0.35 3060 0.08

4 1.48 12926 0.34

5 1.76 15410 0.41

6 1.83 16036 0.43

7 1.85 16193 0.43

…. ….. ….. …..

30 1.85 16233 0.43 Tabla 30. Temperatura ganada o perdida por conducción.


P á g i n a 40 | 54

Para este cálculo, la temperatura 𝑇1,𝑧 utilizada es la correspondiente al año anterior del cálculo de la

temperatura corregida como se ha hecho anteriormente, pero esta vez teniendo en cuenta el calor

equilibrado por el suelo de alrededor. Esta temperatura resultante se expresa en la siguiente gráfica.

𝑇 1,𝑧𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎

= 𝑇 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎𝑎ññ𝑜 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

+ 𝑇 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑎

𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛

+ 𝑇1,𝑧,𝑠 − 𝑇1,𝑧,𝑤 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 40)

Figura 25. Gráfica de las temperaturas del subsuelo por años.

Este proceso se repite hasta que converge o se llegue a la máxima vida útil estimada del equipo,

que son generalmente 30 años. Donde se volverá a calcular la longitud de los sondeos, y si no

varían en más menos un 15%, podemos considerar que las variaciones de temperatura del suelo

no afectaran de forma significativa el funcionamiento de la bomba de calor.

𝑇𝑚𝑖𝑛(𝑧) (ºC) Longitud sonda vertical (m) % diferencia

14.48 301.97 9.81 13.95 334.83

Tabla 31. Diferencia de longitudes de sondas aplicando corrección.

En este caso, se puede decir que la dimensión de la sonda calculada es correcta al no superar

una diferencia del 15%.

Estudio económico

El beneficio económico que representa una bomba de calor geotérmica se obtiene en la forma

de ahorro energético. Este ahorro energético de obtiene en el momento que se produce una

energía térmica a un precio inferior al que se puede obtener con tecnologías tradicionales. Para

la obtención de este ahorro energético es necesario realizar un desembolso económico inicial

13,60

13,70

13,80

13,90

14,00

14,10

14,20

14,30

14,40

14,50

14,60

año1

año3

año5

año7

año9

año11

año13

año15

año17

año19

año21

año23

año25

año27

año29

To,suelo corregido


P á g i n a 41 | 54

superior al requerido para la instalación de tecnologías tradicionales. Por lo tanto, la bomba de

calor geotérmica se amortizara mediante el ahorro energético que tiene.

Existen diversas herramientas financieras que permiten la evolución de este ahorro energético.

Una de las más utilizadas es el índice VAN o Valor Actualizado Neto, el cual representa el

beneficio o pérdida económica de un proyecto teniendo en cuenta toda la vida de la instalación.

Viene dada por:

𝑉𝐴𝑁 = 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 + ∑𝐹𝐶𝑡

(1 + 𝑟)𝑡

𝑡=𝑇

𝑡=1


Donde:

Inversión: Cantidad de dinero expresada con signo negativo, que se ha empleado para la

adquisición de la instalación menos la cantidad de dinero que constaría una instalación térmica

convencional.

T: Tiempo de vida de la instalación en años (se calculara para 20 años para tener en cuenta los

costes de mantenimiento, pequeños errores, etc…)

r:Tasa de descuento (en general un 3%).

FCt: Flujo de caja (ingresos menos gastos) en cada año.

Hará falta determinar los precios del combustible y la electricidad, coste de instalación,

etc….(Anexo 11. Coste combustible y electricidad). Estos valores se reúnen en la siguiente tabla:

Datos instalación convencional Datos instalación BC

Coste gas (€/KWh) 0.058695 Coste electricidad (€/KWh) 0.134727

Coste instalación (€/KW) 1000 Coste instalación (15 a 25 /m) 20

Coste instalación (€) 10358 Coste instalación (€) 21000

Tiempo de vida (años) 20 Tiempo de vida (años) 20

Ratio descuento 0.03 Tabla 31. Coste instalación convencional vs instalación BC

La inversión es un dato proporcionado por los fabricantes e instaladores de equipos (se coloca

con signo negativo).

En el flujo de caja (FC) anual se ha de considerar el gasto de energía de un equipo convencional

(en general el gasto eléctrico de una bomba de calor convencional) menos el consumo de la

energía eléctrica de la bomba de calor geotérmica. Este consumo de la energía eléctrica se

obtiene a partir del COP medio estacional de la instalación y sus horas de funcionamiento,

mediante la siguiente expresión:

𝑊 =�̇� ∗ ℎ

𝐶𝑂𝑃 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 42)


P á g i n a 42 | 54

Donde:

W: Energía eléctrica por el compresor de la bomba de calor en (KWh), se ha de calcular para

periodo de invierno, y de verano.

�̇�, potencia térmica necesaria (en la unidad exterior) en KW.

H: Número de horas, para verano y para invierno.

COP: COP medio estacional para invierno y para verano.

Para el cálculo del FCt es necesario conocer las energías consumidas y transmitidas por los

diferentes tipos de instalación, convencional y geotermia. En la siguiente tabla se calculan las

energías transmitidas por el intercambiador enterrado con el criterio de invierno utilizando las

horas de uso en invierno i en verano, los COP y la potencia necesaria.

𝑊𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 =𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜

𝐻𝐶𝑂𝑃 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 43)

𝑊𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 =𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜

𝐶𝐶𝑂𝑃 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 44)

𝑄𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑜 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 45)

𝑄𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 = 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 46)

𝑊𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 =𝑄𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑜

𝐶𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 47)

Datos Cálculos

HCOP 3.78 W invierno (KWh/año)GHP 5511

CCOP 2.8 Q invierno (KWh/año) 20806

Q evaporador (KW) 8.55 W verano (KWh/año)GHP 12951

Q condensador(KW) 12.95 Q verano (KWh/año) 36268

Horas en verano 4241 Q verano (KWh/año) convencional

14507

Horas en invierno 1607

𝐶𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 2.5 Tabla 32. Energías transmitidas y consumidas.

Una vez determinado el coste de energía, entonces el flujo de caja debido al ahorro energético,

viene dado por:

𝐹𝐶 = �̇� ∗ ℎ ∗ 𝐶𝑡𝑟 + 𝑊𝑐𝑜𝑛𝑣 ∗ 𝐶𝑒𝑙 − 𝑊𝑔𝑒𝑡ℎ ∗ 𝐶𝑒𝑙 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 48)

Donde:

𝐶𝑡𝑟, es el coste de energía térmica tradicional (€/KWh).

𝐶𝑒𝑙, es el coste de energía eléctrica (€/KWh).


P á g i n a 43 | 54

La tasa de descuento “r”, representa la cantidad de dinero que se percibiría si el dinero necesario

para la inversión en vez de utilizarlo en la instalación de la BC geotérmica lo utilizáramos en una

inversión libre de riesgo (ejemplo, bonos del tesoro), ronda entre un 3 y un 4 % actualmente.

Si el VAN es positivo, significa una inversión rentable, por lo que se recomendaría la instalación.

Si sale negativo, significa que habría una perdida y por tanto la inversión no sería rentable por

lo que no se recomendaría la instalación.

Realizando una grafico del VAN calculado en cada año, se vería en cuanto tiempo se amortizaría

la inversión. Se ha realizado una segunda curva con el factor ambiental que en el siguiente

apartado se calcula y explica.

Figura 26. Gráfico de rentabilidad a una instalación convencional.

Se observa que a partir del año 14, la instalación resulta más rentable que con los métodos

convencionales.

Estudio ambiental

Desde el punto de vista ambiental:

Las BC geotérmicas consumen menos energía eléctrica que las convencionales por tanto emiten

menos 𝐶𝑂2del mix eléctrico correspondiente. En la EU existe un mercado financiero donde se

compran y venden derechos de emisión de 𝑡𝐶𝑂2(su precio oscila entre los 20€ a los 30€ por

tonelada, después de Paris, el precio ha caído hasta los 5.9 €/𝑡𝐶𝑂2. Por tanto es conveniente

calcular las emisiones de las BC geotérmica. Y compararla con las tecnologías convencionales. El

cálculo de los derechos de emisión consumidos se tiene en cuenta la siguiente expresión:

𝑡𝐶𝑂2 = 𝐷𝐴(𝑇𝐽) ∗ 𝐹𝐸 (𝑡𝐶𝑂2

𝑇𝐽) ∗ 𝐹𝑂% (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 49)

Donde:

𝑡𝐶𝑂2, toneladas de 𝐶𝑂2 emitidas.

-8000

-7000

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

0 2 4 6 8 10 12 14 16

€

Years

VAN (€)

VAN +Ambiental (€)


P á g i n a 44 | 54

DA, datos de la actividad (TJ).Representa el consumo de combustible expresando su contenido

energético.

FE, factor de emisión.

FO, factor de oxidación. Representa el porcentaje de combustible no oxidado previamente.

(Anexo 12. Factores de emisión)

Tabla 33. Ahorro anual por emisiones.

El ahorro anual sería de unos 56 euros anuales que no parece ser mucho pero además se están

dejando de liberar una cantidad considerable de CO2. En este caso ser cuidadosos con el medio

ambiente resulta rentable.

Factor emisión gas natural (tCO2/TJ) 56,1000

Factor oxidación gas natural 0,9950

Factor emisión medio mix electrico español (tCO2/TJ) 96,4700

Coste tCO2 (€/t) 20,0000

Instalación convencional (BC + caldera gas natural)

DA (TJ) Invierno 0,0749

DA (TJ) Verano 0,0522

DA (TJ) total 0,1271

Emisiones tCO2 9,2193

Coste (€/año) 184,3869

Instalación geotérmica (BCG)

DA (TJ) Invierno 0,0198

DA (TJ) Verano 0,0466

DA (TJ) total 0,0665

Emisiones tCO2 6,4119

Coste (€/año) 128,2385

Ahorro anual (€/año) 56,1484


P á g i n a 45 | 54

Pliego de condiciones técnicas

Partiendo de un esquema básico similar al siguiente:

Figura 27. Esquema de una instalación básica.

Y sabiendo que la instalación necesita dos sondas, se interpreta esquemáticamente la

ubicación de las sondas y su instalación en la siguiente figura:

Figura 28a. Esquema de la instalación del proyecto


P á g i n a 46 | 54

Figura 28a. Esquema de la instalación del proyecto

La bomba de calor escogida es la bomba de calor Thermia DIPLOMAT OPTIMUM que ofrecen

soluciones para viviendas de hasta 250 m2. Cuentan con tanque de ACS de 180 litros

incorporado de acero inoxidable. Todos los modelos disponen de bombas de circulación del

primario y secundario de velocidad variable Clase A y con ordenador de control con capacidad

de controlar dos curvas de calor añadiendo solo una tarjeta de expansión.

Figura 29. Thermia Diplomat Optimum

Mínimo consumo energético gracias a su sistema Optimum de control de

velocidad

Thermia Diplomat Optimum tiene control de velocidad, lo que significa que su rendimiento se puede ajustar de forma continua a los requisitos y condiciones de cada momento. El control Optimum crea condiciones ideales para el funcionamiento de la bomba de calor. Eso le da la máxima eficiencia y el mínimo consumo de energía, segundo a segundo, hora tras hora.

El rendimiento medio estacional es muy elevado, lo cual se traduce en ahorros energéticos de más del 75%.

El tanque de agua caliente incorpora la tecnología TWS, lo que significa que el agua caliente se produce más rápidamente y a temperaturas más altas

que con las tecnologías tradicionales. Como se mezcla agua caliente para aprovechar la temperatura del agua, el volumen de agua caliente utilizable es considerablemente mayor debido a la alta temperatura.

La bomba utiliza la roca, la superficie de tierra, el agua subterránea y el agua del lago como sus fuentes de calor. Recordando las potencias necesarias del proyecto:


P á g i n a 47 | 54




Caudal 1.49 [𝑚3/ℎ]

Tabla 34. Potencias de la bomba de calor seleccionada según diseño.

Y las bombas de calor a escoger del catálogo:

Figura 30. Catalogo

Diplomat.

Se escoge la

Dimplomat 8.

Para la selección del fancoil también se ha escogido basándose en la energía necesaria calculada.

En este caso se ha escogido el FWB07BT.

Figura 31. Fancoil FWB.

Este fancoil tiene bajos niveles de potencia sonora y

absorción eléctrica gracias al propulsor de plástico, la

escalinata ABS y el motor eléctrico mejorado. Es de fácil

montaje en un falso techo estrecho. Batería de refrigeración

de 3,4 o 6 filas de etapas. La bandeja de drenaje puede

recoger la condensación desde el intercambiador de calor y las válvulas de regulación. Motores

eléctricos de 7 velocidades (con protección térmica en los bobinados). Las 7 velocidades vienen

precableadas de fábrica en el bloque de terminales de la caja de interruptores. El filtro de aire

se puede quitar fácilmente para limpiarlo.

La gama de fancoils y sus precios a seleccionar según catálogo se expresan en las siguientes

tablas:


P á g i n a 48 | 54

Tabla 35. Catálogo fancoils.

Tabla 36. Precios catálogo Daikin de fancoil con válvula.

Se comprueba con la necesidad energética de la bomba de calor seleccionada que el fancoil

FWB08BTV es adecuado.


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Figura 32. Turbo colector

Turbo Colector Gracias a la ambición constante de mejora en todos sus productos, MuoviTech ha desarrollado el captador energético Turbo Collector™.

Se trata de un captador energético que dispone de aletas interiores con el fin de conseguir un flujo turbulento diferente al flujo normal de un captador convencional que existen en el mercado.

Las ventajas técnicas que presenta son:

Menor resistividad térmica Mayor delta de temperatura

Hay que tener presente que aumentos de 1 ºC en la entrada de la

bomba de calor, producen un aumento del 3% aproximadamente

en el COP.

Por tanto, las ventajas que presentan los captadores energéticos Turbo Collector son:

15% de mejora en la captación energética con respecto a uno convencional. Eficiencia similar a un captador U-doble de 32mm. 20% menor pérdida de carga, menor consumo energético de la bomba de circulación. Mayor COP de la bomba de calor Ahorro para el usuario Misma técnica de instalación que los captadores convencionales. Excelente captador para cuando se sustituya la bomba de calor.

Características de los captadores: Figura 33. Captador MuoviTech.

Los capadores MuoviTech están diseñados para soportar las condiciones de trabajo a las que se ven sometidos tales como presiones, temperaturas y vida de la instalación. Están fabricados con punta reforzada para una mayor seguridad y protección del captador. Sirve además como peso para facilitar su introducción en

la perforación, y sus dimensiones están adaptadas según la longitud del captador. Aún así, se pueden colocar más pesos extras. Los captadores están probados a presión con aire en fábrica, y cumplen con la norma INSTA SBC 12201 EN 12201:2003. Todos cuentan con el certificado Swedcert 0558 y con el certificado SKZ HR.


P á g i n a 50 | 54

Tabla 38. Lista de precios de los captadores.

Arquetas para la unión de perforaciones Las arquetas son los elementos que se utilizan para unir varias perforaciones. Se fabrican en tres

tamaños diferentes: DN650, DN850 y DN1050. Es posible conectar entre 2 y 22 perforaciones. Se entregan con una tapa PE la cual dispone de una empaquetadura de goma. Las arquetas se fabrican con una válvula de ajuste 1″ DN25 y válvula de bola 1″ para eliminación de aire o llenado de brine. Las arquetas están probadas a presión (5 bar) antes de entregar.

Se puede pedir a fábrica la configuración que se desee, según la posición relativa de las perforaciones y la arqueta.

Figura 34. Arqueta para unión de perforaciones.

Tabla 39. Precios de las arquetes.


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Tubería

Teniendo en cuenta que el diámetro de las sondas es de 32 mm, el resto de instalación se

realiza de la misa sección.

Tabla 40. Precios de la tubería.

Aislamiento tuberías:

En la siguiente tabla se muestra como escoger el espesor del aislaiento.

Tabla 41. Tabla para la selección del espesor del aislamiento.


P á g i n a 52 | 54

Escogiendo el espesor de 40 mm para exterior y 30 mm para interior, la siguiente tabla muestra

los precios:

Tabla 42. Precios de aislamiento de tubería.

Fibra para conductos

Para repartir el aire por la vivienda hace falta realizar conductos. Estos conductos se realizan

con fibra. La siguiente tabla muestra la fibra que se puede utilizar con sus precios y

características. En este caso se utiliza CLIMAVER PLUS R.

Tabla 43. Lista de precios Climaver.


P á g i n a 53 | 54

Presupuesto

Cantidad Precio unidad (euros) Precio (euros)

Thermia Diplomat Optimum 8 SP

1 unidad

9327 9327

Fancoil FWB07BT 1 unidad 817 817

Captador 2x90 diámetro 32 mm

2 unidad 600 1200

Arqueta 2 perforaciones

1 unidad 1576 1576

Tubo PEM 32 20 metros 1,4 28

Ángulos 90º electrofusión

8 unidades 6 48

Unión electrofusión 8 unidades 6 48

Aislamiento tuberia Climipe section A

20 metros 7,95 159

Climaver plus R 20 𝑚2 17,2 344

Perforaciones 154 m 20 3080

Mano de obra oficial 20 30 480

Mano de obra ayudante 20 15 240

Otros(electricidad, accesorios,transporte…)

500 500

Total bruto 17847

Iva 21% 3747,87

Total 21594,87

Conclusiones y observaciones

El estudio de esta instalación deja claro que las necesidades energéticas las cubre

perfectamente, además de ser una instalación más respetuosa con el medio ambiente. Sin

embargo, la parte económica presenta una pequeña desventaja. No empieza a ser rentable

hasta aproximadamente los 13 años, y aunque es una instalación con una vida útil estimada de

30 años, la gran inversión inicial y el escepticismo que a veces generan las nuevas tecnologías,

puede crear un sentimiento de rechazo. Por otra banda, ya que el cálculo del VAN esta hecho

restando lo que costaría una instalación convencional, esto significa que la instalación de

geotermia calculada será rentable en nuevas construcciones, quitar la antigua instalación por la

de geotermia no sería rentable. También decir, que el sistema de conductos que se ha utilizado

es un buen sistema de ventilación que no se ha tenido en cuenta en la instalación convencional,

es decir, se obtiene un sistema de ventilación de mejor calidad. Lo que si que es cierto, es que

es una instalación para personas con situaciones económicas muy favorables, ya que la

posibilidad de endeudarse por instalar esta instalación podría ser peor el remedio que la

enfermedad.


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Bibliografía

Guía de la energía geotérmica.

RETScreen international: Ground-Source Heat Pump Project Analysis.

Catalogo Trane

Girodgeotermia: http://girodgeotermia.com

Isover: https://www.isover.es/productos

Daikin: Catalogo unidades Fancoil.

J.J. de Felipe: Presentaciones geotermia 2017

IGME: http://www.igme.es

DBHE: http://www.codigotecnico.org

Calculo de una instalación geotérmica

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