Capitulo GT2.3 Uso Directo Energía Geotérmica

7/25/2019 Capitulo GT2.3 Uso Directo Energa Geotrmica

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CAPTULO GT2.3USOS DIRECTOS DE LA ENERGA GEOTRMICA

1. Introduccin

Usos directos de la energa geotrmica son aquellos que utilizan directamente el calor sinconversin del mismo a energa mecnica y/o elctrica. As, se contemplan:

Calentamiento: para aplicaciones del sector primario (invernaderos, piscifactoras,granjas, etc..), sector industrial (secado, lavado, curtido, etc..) o sector terciario(calefaccin y agua caliente sanitaria en el residencial y de servicios)

Enfriamiento: usando el fluido geotrmico como fuente de calor de un sistema deabsorcin que genere agua fra, a unos 7 C, para usar en procesos de enfriamiento

La viabilidad de la explotacin del recurso geotrmico para estos usos depende de:

Caudal disponible y temperatura:estas variables condicionan la explotacin energtica

Calidad del fluido geotrmico: composicin fsico-qumica de sales disueltas, gases ypartculas. Algunas sustancias son corrosivas y abrasivas (cloruros, slice y partculas) loque obliga a utilizar materiales especiales en los equipos. Adems el enfriamiento delagua facilita la precipitacin de ciertas sales (carbonatos, sulfatos, etc..) provocandoincrustaciones y finalmente pueden presentarse problemas medioambientales en el vertidoa aguas superficiales lo que obliga a la presencia de pozos de reinyeccin

Agotamiento del campo geotrmico: la explotacin del campo debe permitir que el caudaly la temperatura del fluido geotrmico se mantengan dentro de lmites aceptables durante

un largo tiempo, para que la explotacin sea tcnica y econmicamente viable

En los procesos de calentamiento es frecuente que se requiera una energa de apoyo a fin decomplementar la procedente del recurso geotrmico, sea por alguna de estas dos razones:

Nivel de temperatura del recurso insuficiente para atender el nivel de la demanda: estasituacin se presenta por ejemplo en recursos de baja entalpa (40 a 60 C) que debenatender demandas de calor a temperaturas superiores (por ejemplo a 70 C)

Cantidad de energa insuficiente: situacin que se presenta cuando el caudal procedentedel recurso geotrmico es pequeo para abastecer la demanda trmica de la carga, inclusoan cuando el nivel de temperatura sea suficiente

Los sistemas de energa de apoyo ms utilizados son:

Caldera de apoyo: con consumo de combustibles convencionales (carbn, gas, fuel) Bomba de calor: con consumo de electricidad y en algunos casos de gas natural

Tambin se utilizan en algunos casos otros sistemas de apoyo, como puede ser la energa solartrmica o el combustible procedente de la biomasa

A continuacin se procede a exponer los tipos de cargas o demandas de calor ms frecuentes ylas caractersticas de clculo de las mismas


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2. Tipo de demanda trmica y metodologa para atender a la misma

Las demandas trmicas que se consideran son las siguientes:

Demanda industrial: en forma de calor y fro (vapor saturado, agua caliente o agua fra)

Demanda agrcola: en forma de agua caliente para calefaccin de invernaderos Demanda de acuacultura: en forma de agua caliente para climatizacin de piscifactoras Demanda residencial y de servicios: en forma de agua caliente para calefaccin y ACS y

de agua fra para refrigeracin (climatizacin) de locales. Dentro de este sector destaca elcreciente uso de la energa geotrmica, en balneariospara usos ldicos y teraputicos

La metodologa a seguir para atender un determinado tipo de demanda es la siguiente:

a) Caracterizar la demanda: se debe determinar la potencia trmica pico o mximademandada, la variacin de la potencia a lo largo del tiempo ya que en general no siemprese exige la potencia mxima, la temperatura a la que se demanda la energa y su cuantatotal (anual o estacional).

b) Caracterizar la oferta: se debe determinar la cantidad y calidad de la energa disponibleen el recurso geotrmico: potencia trmica disponible, temperatura y cantidad total deenerga que puede aportar durante un cierto perodo de tiempo, caractersticas fsico qumicas del fluido para definir los tratamientos del mismo

c) Seleccin de la tecnologa de transporte y distribucin de la energa trmica : en estepunto se selecciona y caracteriza la tecnologa que se utilizar para el transporte ydistribucin de la energa trmica en el punto de consumo (calefaccin por suelo radiante,

por emisores o radiadores de agua caliente, por fan-coils, etc.)

d) Caracterizar la energa de apoyo: es frecuente que la oferta y la demanda no sean

coincidentes en todos sus parmetros (potencia, temperatura, etc.), por lo que es necesariointroducir una energa de apoyo (caldera, bomba de calor, etc.). Debe procederse acaracterizar este tipo de energa de apoyo determinando no slo la tecnologa a utilizarsino tambin el dimensionado de la misma y sus especificaciones

Los puntos (c) y (d) estn ntimamente ligados, de forma que la seleccin de la tecnologa detransporte y distribucin viene condicionada por el tipo de energa de apoyo y viceversa. En un

proyecto deben contemplarse ambos puntos como aspectos ntimamente ligados

En los siguientes apartados se proceder a desarrollar estos cuatro puntos, siguiendo lassiguientes pautas:

En primer lugar se proceder a caracterizar las diversas cargas trmicas correspondientesa la relacin indicada al inicio de este apartado

En segundo lugar se expondr la forma de caracterizacin del recurso geotrmicodisponible

Posteriormente se expondrn distintas tecnologas de transporte y distribucin de laenerga trmica a los puntos de consumo

Finalmente, se expondr la forma de clculo y seleccin de la tecnologa de la energa deapoyo, centrndonos bsicamente en la caldera y la bomba de calor

Se incluyen algunos ejemplos correspondientes fundamentalmente a calefaccin deviviendas (sector residencial), calentamiento de invernaderos (sector agrcola) y de

balsas, estanques y piscinas (sector acuacultura piscifactoras) y balnearios


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3. Caracterizacin de la demanda trmica industrial

La demanda industrial se caracteriza generalmente por una demanda de potencia trmicaconstante o con suaves fluctuaciones, definida por un caudal y una temperatura constantes o casiconstantes. La demanda trmica, en general para calentamiento puede ser en forma de:

Vapor saturado Agua caliente o sobrecalentada (agua en fase lquida a presin superior a la atmosfrica) Calor para procesos de secado (aire caliente directo o producido a travs de bateras de

agua caliente)

Un ejemplo de uso industrial se muestra en la figura 1 en la que el agua geotrmica calientecircula por el interior de unos tubos aleteados, por cuyo exterior se impulsa aire por medio de unventilador (fan). El aire caliente obtenido se usa en el proceso de secado del producto granuladotransportado por la cinta a lo largo de la cmara de secado

La demanda de trmica industrial se caracteriza por:

Vapor saturado seco: Caudal msico de vapor ( vmo

) y temperatura (t v). Al tratarse devapor saturado seco al fijar su temperatura queda determinada tambin su presin y suentalpa especfica. En general para procesos de calentamiento la temperatura requeridadel vapor puede oscilar entre 100 C (1 bar) y 180 C (10 bar). En aplicaciones de energageotrmica difcilmente se sobrepasa la temperatura de unos 120 C (2 bar)

Agua caliente: Caudal msico de agua ( amo

) y temperatura (t a). En general la temperaturadel agua para procesos industriales se sita entre 40 C y 90 C

Aire caliente: Caudal msico de aire ( amo

) y temperatura (t a). En general la temperaturadel aire para procesos industriales de secado se sita entre 40 C y 100 C

Para aprovechamiento de energa geotrmica de baja entalpa son adecuadas las demandas deagua caliente en el rango de 40 C a 65 C y de aire de secado en el rango de 30 C a 60 C

AlimentadorCmara de

secado

Seccin AA

Productosecado

Aguageotrmica

caliente

Cinta

Productohmedo

Cmara desecado

Distribucinde aire

Figura 1. Uso de la energa geotrmica (agua caliente) para el calentamiento de aire autilizar en un proceso de secado industrial


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El clculo de la potencia trmica para satisfacer la demanda se realiza por las frmulas:

Vapor saturado seco

Se supone que el vapor se genera a partir de agua lquida a temperatura (t a):

( ) ( )''' hhmttcmP avt +=oo

(1)en donde:o

m : caudal msico de agua o de vapor (kg/s)c: calor especfico del agua lquida (4186 J/kg C)t v: temperatura de saturacin del vapor saturado seco (C)t a: temperatura del agua lquida a partir de la que se genera el vapor (C)

''' , hh : entalpas especficas del vapor saturado seco y del lquido saturante a la temperatura (tv)Pt: potencia trmica absorbida por el agua para pasar a vapor saturado seco (W)

Agua caliente

Se supone que el agua caliente a temperatura (t) se obtiene de agua lquida a temperatura (t a):

( )at ttcmP =o

(2)

en donde:o

m : caudal msico de agua (kg/s)c: calor especfico del agua lquida (4186 J/kg C)t : temperatura del agua caliente seco (C)t a: temperatura del agua fra a partir de la que se genera el agua caliente (C)Pt: potencia trmica absorbida por el agua fra para pasar a agua caliente (W)

Aire caliente

Se supone que el aire caliente a temperatura (t) se obtiene a partir de aire fro a temperatura (ta):

( )aat ttcmP =o

(3)

en donde:o

m : caudal msico del aire (kg/s)ca: calor especfico del aire (1004 J/kg C)t : temperatura del aire caliente (C)t a: temperatura del aire fro a partir del que se genera el aire caliente (C)

Pt: potencia trmica absorbida por el aire fro para pasar a aire caliente (W)

La potencia del equipo PG(caldera, generador de calor) se determina a travs del rendimiento() del mismo:

tG PP = (4)

El consumo de calor (Q) y el de combustible (MC) de poder calorfico inferior (PCI)correspondientes a un periodo de tiempo () vienen dados por:

PCI

P

PCI

QMPQ GCt

=

== ; (5)


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Ejemplo 1

Se desea conocer la potencia trmica a aportar para generar un caudal de 720 t/h (0.2 kg/s) devapor saturado seco a 120 C (2 bar) a partir de agua lquida a 85 C. De las tablas de vaporsaturado se obtiene: h = 2.706 kJ/kg ; h = 504 kJ/kg. Si el vapor se genera con una caldera derendimiento 87 % (= 0.87) que quema gasleo de PCI = 10.050 kcal/kg calcular la potenciade la misma y el consumo de combustible para 1.000 horas de funcionamiento de la caldera

Solucin

( ) ( ) kWPt 7,4694,4403,29504706.22.085120186,42.0 =+=+=

Potencia del generador de calor (caldera): kWPP tG 54087,07,469 ===

( ) ( )

( ) ( )gasleokg

kcalkWhkgkcal

hkW

PCI

PM GC 209.468601050.10

000.1540=

=

=

Ntese que el consumo de calor para pasar el agua de lquido a 85 C a lquido saturante a 120C es muy pequeo si se compara con el empleado para el cambio de fase de lquido a vapor

4. Sector agrcola: caracterizacin de la demanda trmica de invernaderos

En el proyecto de invernaderos deben considerarse las condiciones climticas de la zona, lascaractersticas fsico-qumicas del suelo, el abastecimiento y calidad del agua para riego y otrasutilidades como el suministro de energa elctrica, red viaria y comunicaciones, etc.

Para la ubicacin del invernadero, debe valorarse el microclima. Se debe considerar: la

variacin de la temperatura y humedad relativa en sus valores medios, diarios, extremos yestacionales, el perodo libre de heladas, la insolacin, la intensidad de la radiacin solar y laduracin del da. El rgimen de vientos, tanto por su accin mecnica sobre el invernaderocomo por su influencia en el aumento de las prdidas de calor en el invernadero. La zona dondevaya a construirse el invernadero debe estar protegida de los vientos dominantes (en casocontrario se debern utilizar cortavientos). Por lo tanto deben conocerse los siguientes factores:

- Agua - pH del suelo y anlisis - Temperatura ambiental - Nivel de lluvias - Radiacin solar- Orientacin N-S-E-O - Direccin e intensidad del viento - Humedad - Tipo de cultivo

Tambin deben conocerse las exigencias de temperatura de cada cultivo (tabla 1), as comoniveles ptimos de CO2, humedad relativa, temperatura del sustrato e intensidad luminosa.,

Temperatura ptima (C)Cultivo T mnimaletal (C)

T mnimabiolgica(C) Noche Da

T mximabiolgica (C)

Tomate 0 2 8 10 13 16 22 26 26 30Meln 0 2 12 14 18 21 24 30 30 34Juda 0 2 10 14 16 18 21 28 28 35Pimiento 0 4 10 12 16 18 22 28 28 32Lechuga -2 0 4 6 10 15 15 20 25 30Fresa -2 0 6 10 13 18 22 --Clavel -4 0 4 6 10 12 18 21 26 32Rosa -6 0 8 12 14 16 20 - 25 30 - 32

Tabla 1. Exigencias de temperaturas de algunos cultivosLa mayor parte de los invernaderos son de alguno de los tipos indicados en la figura 4.2


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Figura 2. Tipos de configuraciones de invernaderos agrcolas

El efecto invernadero se logra mediante un material transparente a la radiacin solar, conelevada transmitancia para el rango de frecuencias de la radiacin solar y baja transmitancia(material casi opaco) a la radiacin de onda larga correspondiente a la temperatura del interiordel recinto. Limita las prdidas por radiacin y conveccin. Acta como una trampa de calor.

Se utilizan como materiales de cubierta: (a) Cristal (b) Plsticos rgidos (c) Plsticos flexibles.Los materiales de cubierta se caracterizan por sus propiedades pticas, trmicas y fsicas. Sus

propiedades pticas se definen a partir de tres coeficientes o parmetros cuya suma es la unidad:la transmitancia (), la reflectancia () y la absortancia () para la radiacin incidente y laemitancia () para la radiacin emitida. Sus valores se dan en los siguientes rangos de lalongitud de onda: en la zona activa de la fotosntesis de 400 a 700 nm (PAR), en la de infrarrojode onda corta (700 a 2500 nm) y en el de onda larga o infrarrojo trmico (> 3000 nm). Estoscoeficientes tambin dependen del ngulo de incidencia de la radiacin y del tipo (directa odifusa). Las tablas 2 y 3 muestran estas propiedades para materiales rgidos y flexibles. Las

propiedades trmicas se dan a travs del coeficiente global de transmisin de calor (U), que esadems funcin de la velocidad del viento y del estado del cielo (cubierto o despejado)

U (W/m2C)Material

Espesor(mm)

Pesokg/m2

(%)PAR

Cielodespejado

Cielocubierto

Ahorro de energarespecto al cristal (%)

Vidrios

Hortcola 4 10 89 6.1 5.5 0Baja emisividad 4 10 82 5.4 5.2 22Doble pared 15 15 79 3.1 2.8 40 a 50

Plsticos rgidos

Policarbonato 6 1.4 78 3.3 43Polimetacrilato de metilo 16 5 86 3.4 3 40

Polister con fibra de vidrio 1.2 1.5 88 4.5 30PVC 1.45 1 84 6 a 7 0Polipropileno 4 0.8 60Tabla 2. Propiedades de materiales rgidos usados en cubiertas de invernaderos

U (W/m2C)Material film Espesor(micras)

Pesog/m2

(%)PAR Cielo despejado Cielo cubierto

PEBDLD 180 200 165.5 90 9.4 9.6 7.0 7.1PEIR 180 167.5 171 86 90 7.7 7.9 6.1 6.3EVA 180 200 167.5 91 8.4 6.5EVALD 180 200 167.5 91 8.4 6.5PVC 180 180 91 8.1 6.1Poliester 125 125 89Tabla 3. Propiedades de plsticos flexibles usados en cubiertas de invernaderos


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La figura 3 muestra el efecto invernadero, en la figura 4 el efecto de los materiales selectivos yen la figura 5 la variacin de la transmitancia en funcin de la longitud de onda.

Figura 3. Efecto invernadero

Figura 4. Radiacin espectral transmitida para tres materiales

Figura 5. Transmitancia () en funcin de la longitud de onda


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En la figura 6 se muestran los diversos intercambios energticos en un invernadero

Figura 6. Intercambios energticos en un invernadero


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Potencia trmica prdida por renovacin de aire

( ) )(3600 int

WttcVn

P extaRE = (4.8)

Donde:

n: nmero de renovaciones por hora del volumen de aire del invernadero (ren/h): densidad del aire (1.23 kg/m3a 15 C)V: volumen del invernadero (m3)ca: calor especfico del aire a presin constante (1.04 kJ/kg grad)tint, text: temperaturas interior y exterior respectivamente (C)

Sobre el nmero de renovaciones (n) cabe indicar que es la suma de las debidas a la ventilacin(natural o forzada) y las originadas por las infiltraciones del aire. Las primeras dependen devarios factores: tipo de cultivo, condiciones de trabajo en el interior del invernadero, poca del

ao u hora del da. Las segundas se pueden estimar a partir de los datos de la tabla 5

Material Ren/h Material Ren/hVidrio simple 2.53.5 Polietileno simple 0.5-1.0Doble vidrio 1.0-1.5 Polietileno doble 0-0.5Fibra de vidrio 2.0-3.0Tabla 5. Infiltraciones medidas en renovaciones por hora para diversas materiales

Potencia trmica prdida a travs del suelo o terreno

Aunque el suelo acta como un sistema de acumulacin de calor, no todo el calor almacenadoen el mismo durante el da, se restituye durante la noche. Aproximadamente se puede estimar la

potencia prdida a travs del terreno por la expresin:

( ) )(int WttAKP TETETE = (9)Donde:

KTE: coeficiente de transmisin de calor (1.5 W/m2C). Su rango est entre 0.5 y 2 W/m2C

ATE: rea de suelo ocupada por el invernadero (m2)

tint, tTE: temperaturas interior y del suelo respectivamente (C)

En la prctica la diferencia de temperaturas es del orden de unos 10 C y por tanto las prdidasde calor a travs del terreno se pueden situar en el entorno de unos 15 W/m2, cantidad que comomucho puede llegar a alcanzar un 10 % de las prdidas globales existentes

Potencia trmica ganada por la accin solar

Su clculo depende no slo de la irradiancia solar (W/m2), sino tambin del material de cubiertay del ngulo de incidencia de la radiacin


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Potencia trmica a aportar por la calefaccin

La expresin (6) permite establecer un balance de potencias diurno y otro nocturno. Eldiurno tiene en cuenta la ganancia solar y permite calcular los requisitos de ventilacin(carga de enfriamiento o de ventilacin del invernadero)para una cierta temperatura de

consigna interior y una temperatura mxima exterior, es decir permite calcular lascondiciones de ventilacin y sombreado que debe poseer el invernadero para que puedaevacuarse la mxima carga trmica en las condiciones ms desfavorables a fin de que latemperatura interior no rebase un lmite aceptable (por ejemplo la temperatura mxima

biolgica que puede perjudicar el cultivo)

El balance nocturno, en el que el aporte solar es nulo, permite calcular la potencia trmica picoo mxima a aportar por la calefaccin en las condiciones ms desfavorables, es decir para unatemperatura exterior muy baja (generalmente se escoge aquella temperatura exterior tal que slohay 22 horas/ao de temperatura inferior a la misma, segn ASHRAE o bien aquellatemperatura para la cual el 99% de las horas del ao presentan una temperatura igual o superiora la misma). Esta temperatura se conoce con el nombre de temperatura exterior de proyecto(te,p), mientras que la temperatura interior de proyecto o temperatura de consigna (ti,p)acostumbra a elegirse como la temperatura mnima biolgica o incluso algo superior a ella

La potencia trmica pico o mxima (Pt, pico ) aportada por el sistema de calefaccin se puedeestimar a partir de la expresin (6) junto con las consideraciones expuestas. Para simplificar losclculos supondremos las prdidas a travs del suelo un 10 % de las prdidas totales a travs dela cubierta. El coeficiente U se toma para una velocidad de viento de 24 km/h:

( ) ( )pepiapepiTERECUpicot ttcVn

ttAUPPPP ,,,,, 36001.1 +=++= (10)

La potencia anterior corresponde a la potencia til o de salida que debe proporcionar elgenerador de calor (caldera) que se instale para calentar el invernadero. La potencia de entradadel generador de calor (PG) se determinar teniendo presente el rendimiento () segn:

picotG PP ,= (11)

Ejemplo 2

Para el invernadero de la figura 7 se desea conocer la carga pico de calefaccin y la potencia deentrada al quemador de una caldera, supuesta sta de gas natural, con rendimiento = 0.85

Paredes laterales: fibra de vidrioTecho: polietileno dobleTemperaturas de proyecto:Interior: 15 C Exterior: - 5 CNmero total de renovaciones(ventilacin e infiltracin): 1.5 ren/hRendimiento generador calor: 0.85

37 m

13 m

2.5 m

14 m

Figura 7


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Solucin

Desglosamos las prdidas a travs de: paredes laterales, techo y suelo, segn la tabla 4.6. Losvalores del coeficiente global se toman de la tabla 4 para una velocidad del viento de 24 km/h

Zona Material A (m2) U (W/m2C) ti,p

te,p

P (W)Paredes laterales Fibra de vidrio 290 5.68 20 32.944Techo Polietileno doble 518 3.97 20 41.129Suelo Terreno 481 Se supone un 10 % del total anterior 7.407Total 81.480Tabla 6. Clculo de prdidas por transmisin en cerramientos en el invernadero

Las prdidas por ventilacin e infiltracin para el volumen total de 1934 m 3 sern:

( ) WttcVn

P extaRE 903.1920004.1193423.1600.3

5.1

600.3 int ===

Por lo que la potencia trmica pico (Pt,pico) vendr dada por:

kWWPpicot 4,101383.101903.19480.81, ==+=

La potencia de entrada al generador de calor ser:

kWPP picotG 11985,04,101, ===

Es prctico definir un coeficiente de transmisin de calor (KA) referido a la superficie en plantadel invernadero (rea cubierta) y por unidad de salto de temperatura entre el interior y el exteriory que represente la potencia pico por unidad de rea cubierta y por grado de diferencia de

temperaturas entre el interior y el exterior:

( ) ( ) ( )( ) ( ) CmW

Cm

W

ttA

PK

pepi

picot

A

5,10515481

400.10122

,,

,=

=

= (12)

Los invernaderos presentan valores de KA elevados si se comparan con otro tipo de recintoscomo pueden ser las viviendas. Para un invernadero este coeficiente es del orden de 7 a 15W/m2grad, mientras que en una vivienda puede situarse en el rango de 2 a 3 W/m2grad

Nota: Recurdese que lapotencia picoes la potencia trmica que se debe aportar para mantenerel recinto a la temperatura interior de proyecto (ti,p) cuando en el exterior se presenta latemperatura exterior de proyecto (te,p), sin tener presente ni ganancias interiores (energa interior

generada por otros sistemas como motores, iluminacin, etc.,) ni ganancias exteriores solares

Ejemplo 3

Estimar la potencia trmica pico que demanda un invernadero (KA= 10 W/m2 C) cuya rea en

planta es 100 m2, siendo las temperaturas de proyecto interior (18 C) y exterior (- 2 C), ycompararla con la de una vivienda (KA= 3 W/m

2 C) de la misma superficie

Solucin

Invernadero: ( ) ( ) ( )( )( ) kWWCmCmWPpicot 20200002181001022

, ===

Vivienda: ( ) ( ) ( )( )( ) kWWCmCmWPpicot 66000218100322

, ===


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Clculo del consumo energtico estacional

Durante una estacin (por ejemplo un ao), la temperatura exterior presenta una variacin cuyotratamiento estadstico se puede realizar agrupando las temperaturas en intervalos (clases obins) de una cierta amplitud y elaborando un histograma de frecuencias en donde se reflejenel nmero de horas-ao en las que la temperatura exterior est comprendida en una clase ointervalo determinado. En la fig 8 se muestra un ejemplo en donde la amplitud del intervalo obin es de 5 F (2.8 C) y en el que se muestra el nmero de horas/ao durante las que latemperatura est comprendida en un cierto intervalo. En abcisas se representa el centro delintervalo o clase (as, por ejemplo se presentan 925 h/ao, centro de clase igual a 42 F, en lasque la temperatura exterior es mayor o igual a 39,5 F y menor que 44,5 F ).

Figura 8. Frecuencia de temperaturas exteriores

El consumo energtico (E en kWh) para un recinto con un coeficiente (KAen W/m2C) durante

un periodo de tiempo en el que la temperatura exterior se presenta agrupada en N intervalos,siendo (n i) horas/ao la frecuencia correspondiente a la clase de temperatura (te,i) es:

( ) ( ) ( )iepi

N

i

iA

iepi

N

i

i

pepi

picotttn

AKttn

tt

PE ,,

1,,

1,,3

,

000.110 =

=

==

(13)

El factor 1.000 proviene del hecho que la potencia se expresa en vatios y la energa en kWh

La expresin (13) no tiene presente las ganancias de calor internas (actividad, motores,

iluminacin, etc.) y externas (solar) que puede presentar el recinto, por lo que resultado tiende aser mayor que el consumo real de energa. En la prctica, a fin de evitar engorrosos clculos a

partir de los histogramas, se utiliza en nmero de grados da (GD) o el de grados hora (GH)basados siempre respecto a una temperatura base o de referencia, que en este caso podra ser latemperatura interior de proyecto (por ejemplo 15 C). Para tener presente el efecto reductor delas ganancias solares, la expresin se afecta con un factor de correccin (F) menor que la unidady que depende de la climatologa del lugar y del tipo y material de construccin delinvernadero. El factor F para invernaderos suele estar comprendido entre 0,7 y 0,9

( ) ( ) ( )GDF

AKGDF

tt

PE A

pepi

picot=

= 24

100024

10 ,,3

, (14)


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En la figura 9 se muestra la curva de demanda acumulada de energa a lo largo del ao. En lamisma puede leerse el % de energa sobre la energa total (E) que se demanda para unatemperatura igual o mayor al valor indicado en el eje de abcisas. Tambin este tipo de curva serepresenta en funcin del nmero de horas al ao, o bien en lugar de representar en el eje deordenadas la energa se representa la potencia trmica demandada

Figura 9. Curva de demanda de energa acumulada a lo largo del ao. Eemplo, el 70 % dela demanda de energa anual corresponde a una temperatura mayor o igual a 30 F

Ejemplo 4

Se desea estimar el consumo de energa para el invernadero del ejemplo 2, para las siguientescondiciones de clculo:

Temperaturas interior y exterior de proyecto: 15 C y 2 C respectivamente Situado en un lugar donde el nmero de grados da en base 15/15 es igual a 950 Su construccin y la radiacin solar incidente implican un factor F = 0.78 Calefaccin por caldera de gasleo (PCI = 10050 kcal/kg) de rendimiento 0.85

Solucin

La energa necesaria que se debe aportar al interior del recinto del invernadero:

( ) ( ) kWhGDFAK

E A 898189502478.0

1000

4815.1024

1000

=

==

El consumo de energa en forma de gasleo vendr dado por:

( ) ( )gasleokg

kcalkWhkgkcal

kWh

PCI

EMC 904286011005085.0

89818=

==

Ntese que se ha tomado la temperatura base de los grados da (15 C) igual a la temperaturainterior de proyecto. Al final del captulo se incluyen algunas tablas con informacinclimatolgica de temperaturas y grados da de distintas capitales de provincia espaolas

El consumo especfico (c) de energa anual del invernadero definido como la energademandada por unidad de rea o superficie cubierta por el invernadero. En este ejemplo se tiene:


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222184793215

481

89818

m

kcal

m

kWh

m

kWh

A

Ec ====

hectrea

gasleoton188

En la mayora de los casos el consumo de energa primaria se sita de 200 a 400 tep/ha ao

Figura 10. Sistemas de calefaccin en invernaderos Instalaciones de calefaccin con movimiento natural de aire (conveccin natural):

a) Conducto de calefaccin areo; b) Calefaccin de bancos c) Conductos decalefaccin bajos para calefaccin de aire; d) Calefaccin de suelo.

Instalaciones de movimiento de aire forzado (conveccin forzada):

e) Posicin lateral; f) Ventilador areo; g) Conductos altos; h) Conductos bajos

Figura 11. Curvas de crecimiento de algunos vegetales


16/44

- 16 -

Figura 12. Curvas de crecimiento de algunos animales y de hongos

5. Acuacultura: piscifactoras

Otra de las aplicaciones de la energa geotrmica es la del calentamiento de piscifactoras a finmantener el agua a la temperatura ptima para el crecimiento de la especie. La tabla 7 muestraun ejemplo de los rangos tolerables, temperatura ptima y periodo de crecimiento

Especie Rango tolerable (C) ptimo (C) Periodo de crecimiento (meses)Ostra 0 36 24 25 24Langosta 0 31 22 23 24Camarn 11 40 23 29 6 8Salmn 4 25 15 6 12Anguila 0 36 23 30 12 24Carpa 4 38 25 37 6 12Trucha 0 32 17 6 8Lubina 0 - 32 16 19 6 8Tabla 7. Requisitos de temperatura para la acuacultura de algunas especies

Anlisis energtico de un estanque, balsa o piscina

Se procede a continuacin a determinar para un estanque, balsa o piscina que debe mantenerse auna cierta temperatura los siguientes conceptos:

a) Potencia trmica a aportar para atender la demanda calorfica del estanque

b)

Consumo energtico estacional (anual)


17/44

- 17 -

La figura 13 muestra el balance energtico de un estanque o piscina en rgimen estacionario

Figura 13. Balance energtico en rgimen estacionario de un estanque Evaluacin de las prdidas

A continuacin se procede a evaluar los diferentes tipos de prdidas para un estanque o piscinacuya temperatura del agua es tWy el aire posee una temperatura tAy humedad relativa

a) Prdidas por evaporacin

El calor latente de cambio de fase (variacin de entalpa de cambio de fase) para el proceso devaporizacin del agua se toma igual a: L = 584 kcal/kg = 2.444 kJ/kg

El caudal de agua evaporado )( Wm

o

en kg/h puede calcularse por la expresin:Estanques descubiertos (abiertos): 310)()01,686,6( += Appvm AWW

o

(15)

Estanques cubiertos (cerrados): 310)(23,14 = Appm AWWo

(16)

En donde:v: velocidad del viento (m/s)A: rea de la superficie del agua

pW: presin de saturacin del agua a la temperatura de la misma (tW) en mbarpA: presin parcial del vapor de agua en el aire en mbar

Si tW(C) es la temperatura del agua, la presin de saturacin (pW) en bar viene dada por:

)(273

291.5293,14ln barenp

tp W

W

W+

= (17)

La presin parcial del vapor de agua (pA) en el aire se calcula segn la expresin:

SAA pp = (18)

En donde:

: humedad relativa (en tanto por uno) del aire

pSA: presin de saturacin del vapor de agua a la temperatura del aire. Para su clculo se usala expresin (17) tomando para la temperatura el valor de la del aire (tA)


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- 18 -

Lasprdidas por evaporacin(expresando el caudal evaporado de agua en kg/h) son:

)(679,0)(584 kWmPhkcalmLmP WEWWEooo

=== (19)

b) Prdidas por conveccin

Estanques abiertos (descubiertos): )()(16,2 hkcalenAttvP AWCV = (20)

Para obtener las prdidas en kW basta dividir la expresin anterior por 860 (kcal/kWh). Laexpresin anterior es correcta para estanques de dimensiones no superiores a unos 30 m. Paraestanques mucho mayores las prdidas por conveccin pueden llegar a valer hasta un 25 % ms

Estanques cerrados (cubiertos): )()(15,2 25.1 hkcalenAttP AWCV = (21)

c) Prdidas por radiacin

Vienen dadas por la siguiente expresin en donde las temperaturas se expresan en kelvin (K)

)(100100

61,444

hkcalenATT

P AWR

= (22)

d) Prdidas por conduccin

Se producen a travs del fondo del vaso de la piscina y de sus paredes laterales en contacto conel terreno circundante. Las prdidas por conduccin son pequeas comparadas con el resto de

prdidas (pueden representar del orden de un 5 % de las prdidas totales) y por esa razn aveces no se tienen en cuenta. Para clculos aproximados, es suficiente valorar estas prdidasentre un 5 % y un 10 % de las totales (excluyendo las de renovacin)

e) Prdidas por renovacin de agua

Son las derivadas de las necesidades del calentamiento del agua de renovacin del estanque o dela piscina. Se determinan a travs de la expresin:

( ) ( ) )/(,, hkcalenttcVNttcmP RENWWRENRENWWRENREN == o

(23)

en donde:

RENmo

: caudal msico de agua de renovacin (kg/h)c: calor especfico del agua lquida (1 kcal/kg C)tW: temperatura del agua en el interior del estanque o piscina (C)

tW,REN: temperatura del agua de renovacin (coincide con la temperatura del agua de red) (C)NREN: nmero de renovaciones por hora del volumen del estanque o piscina (renov/h)V: volumen de agua contenido en el estanque o piscina (m3): densidad del agua lquida (1000 kg/m3)

Ejemplo 5

Estimar las prdidas de calor totales de un estanque descubierto con las siguientes condiciones:

Dimensiones: largo 15 m, ancho 3 m, profundidad 1.11 m Temperatura del agua en el estanque: 27 C

Temperatura del aire: 5 C, humedad relativa 0,5 (50 %) Velocidad del viento: 3 m/s


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- 19 -

Se produce una renovacin total cada 50 h (N = 0.02 renovaciones/hora) Las prdidas por conduccin se estiman en un 7 % de la suma de prdidas por

evaporacin, conveccin y radiacin Temperatura del agua de renovacin (red): 17 C

Solucin

Clculos previos:

rea de la superficie del estanque: 15 3 = 45 m2. Volumen del estanque: 45 1.11 = 50 m3Presin de vapor del agua a la temperatura (tW= 27 C): pW= 35,3 mbarPresin de vapor del agua a la temperatura (tA= 5 C): pSA= 8,7 mbarPresin parcial del vapor del agua en el aire: pA= pSA= 0.5 8,74 mbar = 4,4 mbar

Caudal de agua evaporada y prdidas por evaporacin:

33 1045)4,43,35()301,686,6(10)()01,686,6( +=+= Appvm AWWo

hkcalmPhkgmWEW

212.206.345845846,34 ====oo

Prdidas por conveccin:

( ) hkcalAttvP AWCV 415.645527316,2)(16,2 ===

Prdidas por radiacin:

hkcalATT

P AWR 413.445100

278

100

30061,4

10010061,4

4444

=

=

=

Prdidas por conduccin:

Se estiman en un 7 % del total de las anteriores:

( ) hkcalPCD 173.2413.4415.6212.2007,0 =++=

Prdidas por renovacin de agua

( ) ( ) hkcalttcVNP RENWWRENREN /000.1017271105002,03

, ===

La tabla 4.8 muestra un resumen de las prdidas

Prdida kcal / h kW %Evaporacin 20.212 23,5 61Conveccin 6.415 7,5 19Radiacin 4.413 5 13Conduccin 2.173 2,5 7Subtotal 33.213 38,5 100Renovacin 10.000 11,6 --Total 43.213 50,1 --Tabla 8. Resumen de las prdidas del estanque del ejemplo


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- 20 -

Clculo de la potencia trmica a instalar y de la energa anual consumida

En general, en calefaccin la potencia trmica de calefaccin a instalar debe ser tal que cubra lasprdidas de calor en las condiciones ms desfavorables (potencia demanda pico). Lascondiciones pico o de demanda mxima correspondern a unas ganancias solares nulas. Ahora

bien, en el caso de estanques o piscinas la potencia trmica pico demandada no es la potencia ainstalar, dado que la masa de agua es importante y su propia inercia trmica suaviza los cambiosde condiciones de temperatura, humedad, radiacin y velocidad de viento. Por ello seacostumbra a instalar una potencia trmica menor que la de demanda pico pero que trabajandodurante todo el da aporte la energa que diariamente se requiere para mantener el estanque a latemperatura de proyecto o de consigna. Para determinar la energa anual consumida deberealizarse un balance energtico que incluya las ganancias solares y extenderlo en intervalos deuna hora a todo un ao, para contabilizar la demanda de energa.

4.6. Calefaccin y agua caliente sanitaria (ACS) para el sector residencial

La tabla 9 incluye temperaturas interiores de proyecto o de consigna y la tabla 10 temperaturas

exteriores para diferentes tipos de construccin y calidades de instalacin de calefaccin

Tipo de local C Tipo de local C Tipo de local CViviendasSala comedorDormitorioCuarto de baoVestbulo/pasillo

2020152218

ColegiosAulasComedoresVestuariosGimnasios

1919182215

Teatro, cineRestauranteClnica (habitacin)Quirfano

18202231

Tabla 9. Temperaturas interiores de proyecto recomendadas


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- 21 -

Construccin ligera Construccin media Construccin pesadaCalidad de la instalacin Calidad de la instalacin Calidad de la instalacinPOBLACIONES

Extra Normal Extra Normal Extra NormalAlbaceteAlmeravilaBadajozBarcelonaBilbaoBurgosCceresCiudad RealCrdobaCuencaGeronaGijnGranadaGuadalajaraHuelvaHuescaJan

La CoruaLen (Aeropuerto)LridaLogroo (Instituto)LugoMadridMurciaOrenseOviedoPalenciaPamplonaPontevedraSalamancaSan Sebastin

SantanderSegoviaSevillaSoriaTarragonaTeruelToledoValenciaValladolidVigoVitoriaZamoraZaragoza

84

82

11714184

135

061

27643414376

083

180

80

94

06

2764

75

71

20

60

40

73

224

15

0

265323

03265

172

271

71

83

15

3553

75

71

20

60

30

73

224

15

0

365323

03265

172

271

71

83

15

3653

66

6031

51

31

62

313

24

1

354212

12154

261

362

62

72

24

4442

65

7020

60

21

62

20

42

40

365323

13165

162

272

61

62

25

3653

56

6131

51

22

51

31

33

31

354212

22

054

251

363

52

51

34

4442

Tabla 10. Temperaturas exteriores de proyecto o clculo recomendadas

Clculo de la potencia de calefaccin y la energa anual consumida

Para un recinto (por ejemplo un edificio o una nave), se define el coeficiente volumtrico deprdidas (G) como las prdidas trmicas totales por unidad de volumen habitable, debidas a latransmisin a travs de los cerramientos y a las infiltraciones y ventilacin, y por cada gradocentgrado de diferencia de temperatura entre la temperatura interior y exterior del recinto. Lasunidades de G son (W/ m3grad). A partir de este coeficiente (G) se puede calcular:

La potencia de clculo o carga trmica de calefaccin y por lo tanto la potencia trmicade calefaccin a instalar (potencia til nominal del generador de calor)

El consumo anual de energa (combustible o electricidad)


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- 22 -

La potencia de clculo o carga trmica (Pt) se determina segn la expresin:

)( eit ttVGP = (24)en donde:

Pt: potencia de clculo o carga trmica del recinto o edificio (W)G: coeficiente volumtrico de prdidas, incluye renovacin e infiltracin (W/m3grad)V: volumen habitable (m3)ti , te: : temperaturas interior y exterior de proyecto respectivamente (C)

En la prctica, una estimacin razonable para valores del coeficiente G, en funcin delaislamiento de las mismas y de las renovaciones e infiltraciones de aire, es la siguiente:

Edificios de viviendas mal aisladas: G 1,25 a 2 W/m3C Edificios de viviendas aisladas cumpliendo NBE-CT-79: G 0,9 a 1,2 W/m3C Edificios de viviendas muy bien aisladas: G 0,5 0,9 W/m3C En la horquilla de valores recomendados, conviene indicar que los valores ms altos de la

horquilla corresponden a edificios con peor aislamiento. Todas las horquillas de valoresindicados anteriormente corresponden a una tasa igual a 1 renovacin por hora

La potencia nominal til del generador (potencia a instalar, Pi) se determina segn el rgimen ytipo de calefaccin:

( )

PP

PP

PP

i

ti

ti

=

=

2:)(elctricanocturnanacumulaciconnCalefacci

5,1:teintermitenecombustibldirectanCalefacci

2,1:continuale)(combustibdirectanCalefacci

(25)

Consumo anual de energa

Para el clculo del consumo anual de calefaccin puede usarse la expresin:

( ) iuGDt

PQ t 1524

= (26)

en donde:

Q: energa calorfica anual a aportar al recinto (kWh)Pt: potencia trmica o carga trmica del recinto (kW), dada por la expresin (22)GD15: grados da anuales base 15/15 del lugar considerado (ver tabla al final del captulo)

u,i : coeficientes de uso e intermitencia de la instalacin (tabla 11)t diferencia entre las temperaturas interior y exterior de proyecto (t = ti te)

La energa que debe aportarse al quemador de la caldera se calcula a partir de la expresinanterior y del rendimiento global de la instalacin (). Este rendimiento debe calcularse como el

producto de los rendimientos de generacin, distribucin y regulacin y equilibrado de toda lainstalacin de calefaccin. Generalmente los valores que se encuentran en bibliografa vienenreferidos a condiciones nominales y dado que los sistemas de calefaccin no siempre actan a

plena carga, a nuestro juicio son ms realistas los valores del rendimiento global que sepresentan en la tabla 12, por entender que se refieren a valores medios estacionales

El consumo anual de energa (E) puesta en el quemador del generador de calor vendr dado por:

QE= (27)


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- 23 -

El consumo anual de combustible (C) de poder calorfico inferior (PCI) se determina segn:

PCIEC= (28)

TIPO DEEDIFICIO Das al mes decalefaccin Coeficientede uso Horas al da decalefaccin % dehoras Coeficiente deintermitenciaViviendasColegios, EscuelasIglesiasTiendas, ComerciosOficinasHotelesFbricas, TalleresClnicas, HospitalesTeatros, CinesSalas de concierto, reunin

30226

2424302430306

1,000,800,400,850,851,000,851,001,000,40

1566

119

159

2433

63252546386338

1001313

0,850,450,450,800,700,850,701,000,400,40

Nota: No est incluido el tiempo necesario para el calentamiento previo, que vara de dos a cuatro horas,

segn el edificio y su situacinTabla 11. Coeficiente de uso e intermitencia para calefaccin de recintos

Tipo de energa o combustible Tipo de instalacin Rendimiento (%)

CarbnIndividualCentral, poco atendidaCentral, atendida normalmenteCentral, atendida mecnicamente

50506070

Combustibles lquidosIndividualCentral normalCentral automatizada

607080

GasIndividualCentral normalCentral automatizada

607080

Elctrica Elementos individualesRadiadores (distribucin por agua)

10075 - 90

Tabla 12. Rendimiento global de la instalacin de calefaccin

Ejemplo 6

Estimar la potencia a instalar de calefaccin en un edificio de viviendas de residencia habitual

cuyas caractersticas son las siguientes:a) Caractersticas del edificio

Edificio formado por tres bloques adosados, cada uno con acceso por escalera independiente,con siete plantas y cuatro pisos por planta, formando un conjunto total de 84 viviendas

Superficie til habitable de cada vivienda: 90 m2, con altura entre suelo y techo de 2,7 m, lo queconduce a un volumen habitable por vivienda de 243 m3y por tanto un volumen habitable paratodo el edificio de 20.412 m3. Se admite un coeficiente G = 0,97 W/m3C

b) Ubicacin y condiciones de clculo

El edificio se supone ubicado en Madrid (Zona D) y las condiciones de clculo son:


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- 24 -

Temperatura exterior de proyecto: - 4 C; Temperatura interior de proyecto: 20 C Grados da anuales en base 15/15 para la ciudad de Madrid: 1405 Coeficiente de uso (u): 1; Coeficiente de intermitencia (i): 0,85 Calefaccin centralizada con caldera de gas natural con rendimiento (): 0,80

Gas natural con poder calorfico inferior: PCI = 9.200 kcal/Nm

3

Solucin

La carga trmica de todo el edificio se calcula segn (24):

( )( ) kWttVGP eit 475420412.2097,0)( ===

Corresponde a una carga trmica unitaria (por vivienda de 90 m2) de 5,7 kW. La potencia decalefaccin a instalar se establece segn la expresin (25) como: kWPi 5704752,1 ==

La demanda anual de calor de calefaccin para todo el edificio, se estima a travs de (2.26):

( ) ( ) aoMWhiuGDt

PQ t 3,56785,01405.124

24

47524 15 ==

=

Equivale a una demanda algo menor a medio milln de termias anuales, en concreto 488 kte/ao

El consumo anual de energa puesta en quemador (E) viene dado por (27):

aoMWhQE 7098,03,567 ===

La cantidad de gas natural consumido anualmente se calcula segn (28):

aoNmNmte

aote

PCI

EC 3

3288.66

2,9

848.609===

Clculo del agua caliente sanitaria (ACS)

Las necesidades de ACS no pueden valorarse mediante una frmula general, pues dependen deltipo de instalacin (domstica, deportiva, hoteles, etc.). Para calcular la demanda de potenciatrmica pico y la capacidad o volumen del depsito acumulador se requiere siempre determinar:

Demanda mxima horaria (carga punta) Demanda media diaria (carga media diaria)

En general, el ACS se produce y se almacena a una temperatura de unos 60 C y se distribuye atemperaturas entre 40 C y 45 C. El consumo de ACS a una temperatura de referencia de 45 Cse indican en la tabla 13 y el comportamiento de la demanda diaria en la tabla 14.

Nivel de consumo Bajo Medio AltoLitros/da y persona 30 - 50 50 100 100 - 200Tabla 13. Consumos orientativos de ACS a 45 C en litros por persona y da


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- 25 -

Horas 0 6 6 14 14 17 17 22 22 24% del consumo total diario 3 57 13 25 2Tabla 14. Comportamiento medio de la demanda diaria

La energa calorfica QACSrequerida para el suministro de VACS(litros) de agua caliente sanitariaa temperatura t

ACSa partir del agua de la red (temperatura t

R, segn tabla 15) viene dada por:

( ) ( ) )(kcalttVttcVQ RACSACSRACSACSACS == (29)

Si este calor se produce mediante una caldera de rendimiento (), el consumo de energa es:

)()860()( kWhQEkcalQE ACSACS == (30)

Y el consumo (C) de combustible de poder calorfico inferior (PCI):

PCIEC= (31)

En los clculos energticos de ACS debe tenerse en cuenta la variacin de la temperatura deagua de aporte segn la poca del ao. Un ejemplo orientativo en la tabla 15.

Mes Ene - Feb Mar Abr May Jun Jul-Ag Sep Oct Nov DicZona 1 8 9 12 14 16 17 16 14 12 9Zona 2 7 8 11 12 15 16 15 13 11 8Zona 3 10 11 14 16 18 19 18 16 14 11Zona 1: Zona mediterrnea. Zona 2: Centro. Zona 3: Cornisa CantbricaTabla 15. Temperaturas ( C) del agua de la red pblica de suministro

Ejemplo 7

Calcular para el mes de enero, el calor necesario para suministrar ACS para un conjunto de 200viviendas situadas en Zaragoza, suponiendo una ocupacin media de 3 personas/vivienda y unconsumo per cpita de 125 litros/da de ACS a 45 C. Si el ACS se genera por una caldera degas natural de rendimiento igual a 80 %, se desea estimar el consumo mensual de gas natural

Solucin

El volumen total de ACS demandado durante el mes de enero se determina segn:

3325.2311253200 mVACS ==

El calor requerido durante el mes de enero para calentar el ACS es:

( ) ( ) )(1035,8874510325.2 63 kcalttVQ RACSACSACS ===

La cantidad de gas natural consumido durante el mes de enero ser:

mesNmmeskcal

meskcal

PCI

QC ACS 3

6

000.12200.98,0

1035,88=

==


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- 26 -

7. Equipos y sistemas usados en la explotacin de la energa geotrmica

Distinguiremos bsicamente los siguientes tipos:

a) El cambiador de calor principal o cambiador primario, situado generalmente cerca delpozo de extraccin o en el centro geomtrico del conjunto de pozos. Intercambiar elcalor desde el fluido geotrmico hasta el fluido (generalmente agua) que se enva a los

puntos de consumo (invernadero, calefaccin, bombas de calor, etc.). El fluidogeotrmico o fluido primario se separa fsicamente del fluido de trabajo o fluidosecundariopues en muchas ocasiones la composicin fsico qumica del primero no esadecuada para los equipos y sistemas de utilizacin

b) Los equipos de distribucin del calor en los puntos de consumo: intercambiadores, fan-coils, suelos radiantes, bombas de calor, etc.). Estos equipos reciben muchas veces elnombre de equipos secundarios o de distribucin y consumo. Estos equipos son losmismos que se usan cuando la fuente de energa es convencional (caldera)

c)

Finalmente, en las instalaciones geotrmicas de uso directo, es frecuente encontrarsistemas de apoyo de calor que permitan cubrir puntas de demanda o complementar laenerga geotrmica, son los denominadossistemas hbridos. Los ms frecuentes son:

De combustin directa: calderas de gas, gasleo o carbn Bomba de calor: en general elctricas, aunque tambin se usan de gas natural Sistemas basados en energas renovables: solar, elica o biomasa

7.1. Cambiador principal o primario

La figura 14 muestra el esquema de principio de la instalacin del cambiador primario, en el queel fluido geotrmico cede calor al fluido de trabajo

Figura 14. Esquema de principio del cambiador de calor principal o primario

Para el clculo de la potencia trmica (PG) del cambiador rigen las siguientes expresiones:

( ) ( ) log,12 mFGsGeGGG AUCttcmttcmP ===oo

(32)

En donde:oo

mmG ; : caudales msicos de fluido geotrmico y de trabajo respectivamente (kg/s)tGe, tGs : temperaturas de entrada y salida del fluido geotrmico (C)

t1, t2 : temperaturas de entrada y salida del fluido de trabajo (C)cG, c: calores especfico del fluido geotrmico y de trabajo (se puede tomar c = 1 kcal/kg C)U : coeficiente global de transmisin de calor del intercambiador de calor (W/m2C)


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- 27 -

A: rea de transferencia de calor del cambiador (m2)m,log: diferencia media logartmica de temperaturas del cambiador, definida por (33), fig 15CF: coeficiente, que en aplicaciones geotrmicas est comprendido entre 0.85 y 1

( )1122

12

12log, ;

ln

ttttdonde GsGem ==

= (33)

Figura 15. Variacin de temperaturas en un cambiador en contracorriente (counterflow)

Las figuras 16 y 17 muestran esquemas de principio de sistemas de uso directo de energageotrmica

Figura 16. Esquema de principio del cambiador de calor primario o principal


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- 28 -

Figura 17 Esquema de principio de uso directo de energa geotrmicaEl cambiador ms usado es el de placas, cuyas caractersticas estn en los siguientes rangos:

Temperatura mxima: 200 C. Presin mxima: 20 bar rea individual de cada placa: 250 cm2a 2 m2. rea mxima: 1.200 m2 Rango de caudales: de 1 a 1.500 m3/h Coeficiente global de transmisin de calor U: de 4.000 a 7.000 W/m2C (estado limpio) Mnima diferencia de temperaturas entre fluidos (pinch point): 2 a 5 C

Otros cambiadores, menos usados, tienen peores prestaciones. Para los de tipo coraza-tubo supinch-point es del orden de 8 a 12 C y para los cambiadores ms artesanos de 12 a 22 C

Para el clculo del cambiador geotrmico se tienen presente los siguientes aspectos:

La temperatura de entrada al secundario t1(temperatura de retorno del fluido de trabajo)sea lo menor posible a fin de maximizar la potencia trmica a extraer al fluido geotrmico

La optimizacin tcnico-econmica aconseja una relacin de caudales de secundario y

primario entre 1 y 1.25 )25,11( =oo

Gmm . Slo cuando se disponga de pozos poco

profundos y con abundante energa en cantidad (caudal) y en calidad (temperatura) estcondicin ser poco relevante pues se dispondr de energa abundante y barata

La potencia trmica ( PG) se expresa a travs de la eficiencia () del cambiador como:

( )1ttcmP GeGGG =o

(34)

en donde la eficiencia del cambiador se indica en la tabla 16

oo

Gmm

1 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50

Eficiencia () 0,833 0,863 0,886 0,904 0,917 0,928Tabla 16. Eficiencia del cambiador de calor (nmero de unidades de transferencia = 5)


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- 29 -

Ejemplo 8

Para la explotacin de un pozo geotrmico se desea estimar las magnitudes del cambiador decalor de placas a instalar sabiendo los siguientes datos:

Fluido geotrmico. Caudal: 36 m3/h, temperatura: tGe= 80 C

Fluido de trabajo. Caudal: 43,2 m3/h, temperatura: t1= 45 C Para ambos el calor especfico: 1 kcal/kg C y densidad la del agua. Coeficiente CF= 0,9

Solucin

886,016.42.1362,43 === TablaG

mmoo

( ) ( ) ( ) ( ) hMcalCkgkcalhkgttcmP GeGGG 116.145801000.36886,01 ===o

Usando la expresin (32) se obtiene: t2= 70.8 C y tGs= 49 C y por tanto: m, log= 6,24 C

Por lo cual, segn (32): 240199 mACMcalUA = , en donde se supone uncoeficiente global U = 5.000 kcal/h m2C

7.2. Grado de aprovechamiento del potencial geotrmico

El grado de aprovechamiento se define a travs de la eficiencia de aprovechamiento delpotencial geotrmico (EAPG) referida a una temperatura de referencia (tREF) que puede fijarsesegn convenio, pero que frecuentemente se toma igual a 20 C. Representa la relacin entre la

potencia trmica transferida en el cambiador de calor (potencia trmica extrada del recursogeotrmico) y la que podra obtenerse si el fluido geotrmico llegase a enfriarse en el cambiador

hasta la temperatura de referencia (20 C). Por tanto EAPG viene dada por la expresin:

( )

( )

( )

( )

( )202020

1

=

=

=Ge

Ge

Ge

GsGe

GeGG

G

t

tt

t

tt

tcm

PEAPG

o

(35)

Ejemplo 9

Se desea valorar el nivel de aprovechamiento del potencial geotrmico que realiza el cambiadorde calor correspondiente al ejemplo 8. Se toma la temperatura de referencia igual a 20 C

Solucin

( ) ( ) ( ) ( )517,0

20801000.36

116.1

20=

=

=Ckgkcalhkg

hMcal

tcm

PEAPG

GeGG

G

o

Es decir, del fluido geotrmico se extrae slo el 51,7 % de la energa que podra llegar aextraerse si este fluido se enfriase hasta 20 C en lugar de 49 C


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- 30 -

7.3. Equipos de distribucin de calor en los puntos de consumo

La distribucin del calor en los puntos de consumo en general se realiza por:

Convectores de aire caliente (fan-coils) (emisin por conveccin forzada por ventilador)

Emisores o radiadores de agua caliente (emisin por radiacin y conveccin natural) Distribucin por suelo radiante (emisin por radiacin y conveccin natural desde suelo)

Entrada de aire

Filtro Elementocalefactor

Aire caliente

Ventiladory motor

Techo

Sistema de

distribucin

Figura 18. Esquema de funcionamiento de un convector de aire (fan-coil)

Figura 19. Convectores de aire caliente (fancoils) horizontal y vertical


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- 31 -

7.4. Sistemas de apoyo energtico

Son sistemas complementarios que cubren las puntas de demanda o bien complementan laenerga geotrmica para satisfacer la demanda. Bsicamente son:

Calderas convencionales de combustibles fsiles (carbn, gasleo, fuelleo o gas natural) Bombas de calor, en general accionadas elctricamente, aunque tambin hay a gas En algunos casos otras fuentes renovables como solar o elica

La descripcin y caractersticas tcnico-energticas de las calderas y bombas de calor se handesarrollado en el captulo 1 dedicado a equipos, por lo que en este apartado nos limitaremos aexponer distintas configuraciones prcticas

Figura 20. Distintos sistemas dedistribucin de calor en el punto deconsumo. El primero (a) es un convectorforzado (fancoil), mientras que los

segundo y tercero (b) y (c) son emisoresde calor por conveccin natural yradiacin. La figura (d) representa enesquema el sistema de suelo radianteTodos los sistemas son susceptibles conlas adecuadas modificaciones de diseode ser utilizados como elementos decalefaccin de recintos. Los convectores(a) acostumbran a ser elementos demedia temperatura . Los emisores (b) y(c) de media y alta temperatura yfinalmente el suelo radiante (d) es debaja temperatura, de acuerdo a losrangos de temperaturas de entrada ysalida del agua de calefaccin:

Alta: Entrada 80 / 90 CSalida 60 / 70 C

Media: Entrada 60 / 75 CSalida 40 / 55 C

Baja: Entrada 35 / 45 C

Salida 25 / 35 C


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Figura 21

Sistema declimatizacinresidencial basado enuna bomba de calorEn la situacininvierno elevaporador de labomba toma calordel suelo o de unfluido geotrmico ycede energacalorfica a travs de

su condensador alinterior de lavivienda

En la posicin verano(refrigeracin), lasituacin se invierte yel calor es tomado delinterior de lavivienda y cedido alterreno o al aireexterior. En una

tpica aplicacingeotrmica slo setoma calor del fluidoen invierno, mientrasque en verano se cedeal aire exterior

Figura 22. Esquema de principio defuncionamiento del terreno como focotrmico de una bomba de calor.Tambin puede usarse el pozogeotrmico para el mismo fin


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8. Sistemas de calefaccin urbana (district heating). Centrales de calor

El district heating o calefaccin urbana consiste en una central de calor, formada por elcambiador principal o primario y el sistema de apoyo (caldera, bomba de calor) y una red detuberas que distribuyen a las viviendas agua caliente para calefaccin y ACS. La figura 24muestra el esquema de principio de una central de calor geotrmica formada por el cambiador

principal y una caldera de apoyo y la figura 25 el de un district heating

Figura 23. Distintas configuraciones de bomba de calor en relacin con elfoco trmico (terreno, pozo geotrmico, depsito de agua caliente, etc.)


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60 C

55 C65C

43 C

40 C

Boiler(caldera)

Figura 24. Esquema de principio de una central de calor geotrmicaformada por el cambiador principal y la caldera de apoyo

Figura 25. Esquema de un district heating-cooling formado por depsito de fluidogeotrmico, cambiador de placas para calefaccin por conveccin natural y forzada(fancoils), enfriadora de agua (chiller) y cambiador de coraza - tubo para produccin deACS (Oregon Institute of Technology)


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La figura 26 muestra un distrct heating en el que el cambiador de calor est instaladodirectamente en el mismo pozo geotrmico

Figura 26. District heating concambiador geotrmico instalado en elinterior del pozo

Figura 27. Tpico esquema de suministro individual de calefaccin y ACSdesde la red de distribucin del district heating a un consumidor

Cambiadorpara

calefaccin

Cambiadorpara ACS

El agua caliente de la red dedistribucin del districtheating calienta, en elcambiador de calefaccin ,elagua que se distribuye paracalentar la vivienda porradiadores, fancoils o sueloradiante. Ntese que hay unbypass para regular lapotencia trmica a ceder yaque la demanda es variablesegn la temperatura

ambiente exterior.Posteriormente el aguacaliente, antes de retornar ala central de calor, pasa porel cambiador de ACS paraatender a la demanda de lamisma


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- 36 -

Un ejemplo de calefaccin de distrito se muestra en la figura 28, correspondiente al casoexistente en Islandia (Reykjavik) formado por un campo de pozos con tres niveles detemperatura (89 C, 96 C y 125 C) que suministran calefaccin y ACS para el sectorresidencial para una poblacin de unas 160000 personas con una capacidad instalada de 830MWt y proyectado para atender una carga trmica con una temperatura de proyecto de 10 C

Figura 28. Esquema de district heating de Reykjavik (Islandia)

Figura 29. En Francia, unas 60realizaciones diversas proveen decalefaccin y ACS a unas 500.000personas. Los pozos suministran aguaentre 40 C y 100 C (profundidadesde 1.500 a 2.000 m). En la cuenca deParis, un sistema de doblete (pozos deextraccin y de reinyeccin)suministra agua a 70 C. Las puntas dedemanda se cubren con bomba decalor y con calderas convencionales.La figura adjunta muestra el sistemade doblete de Melun lAlmont (Paris)


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- 37 -

9. Instalaciones geotrmicas con bomba de calor

La bomba de calor tiene la ventaja de trabajar con temperaturas de produccin menores y deaumentar la temperatura de entrada a los emisores de calor. Para temperaturas inferiores a unos60 C, es posible usar la bomba de calor para mejorar el rendimiento de la instalacin

Cuando el calor geotrmico se extrae slo con un cambiador de calor (sin bomba de calor)pueden usarse uno o varios cambiadores en serie o paralelo. Dado que el caudal del fluido detrabajo para la optimizacin tcnico econmica del cambiador se sita en el rango de 1 a 1.25 elgeotrmico, se acostumbra a colocar un by-pass en el secundario cuando el caudal de la red deservicio es mucho mayor que el geotrmico, a fin de dejar pasar por el secundario slo lafraccin adecuada que optimice el cambiador. La figura 30 muestra un esquema de este tipo

La incorporacin de una bomba de calor (BC) debe considerarse despus de realizar el anlisistcnico econmico del conjunto sondeo-cambiador principal. La BC se utiliza para extraer mscalor del fluido geotrmico y reinyectarlo ms fro.

Figura 30. Extraccin de calor con cambiador principal y con presencia opcional de unacaldera de apoyo. El bypass deriva una parte del caudal del secundario para conseguirmantenerlo en una relacin respecto al primario de 1 a 1,25

La incorporacin de una bomba de calor se puede realizar segn diversos esquemas (figura 31).

El primero, ms simple, el agua del secundario en la ida pasa por el condensador y en el retornopor el evaporador. En el segundo se hace circular el agua geotrmica sucesivamente por elprimario del cambiador y por el evaporador de la bomba pero tiene el inconveniente de hacercircular por la bomba un agua agresiva, por lo que se usa un cambiador auxiliar. El secundariodel cambiador principal y el condensador pueden estar en serie (segundo esquema) o en paralelo(tercer esquema). El criterio a seguir se basa en los caudales y en la temperatura de salida delcondensador que debe quedar tan baja como sea posible para no disminuir el COP de la bomba

Las bombas de calor pueden acoplarse en serie o paralelo segn se muestra en la figura 32. Elacoplamiento en serie permite un fraccionamiento de temperaturas lo que se traduce en unamejora del COP, mientras que en paralelo el COP es el mismo para todas


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Figura 31. Diversas configuraciones de conexin de bombas de calor

Figura 32. Acoplamiento de bombas de calor e influencia de la conexin serie


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GRADOS-DA CON TEMPERATURA BASE 15/15 (UNE 24046)Valores mensuales, anuales y 5 meses de noviembre a marzo

Poblacin Enero Febrero Marzo Abril Mayo Octub Novie Dicie 5 meses AoAlbaceteAlgecirasAlicanteAlmeravilaBadajozBarcelonaBilbaoBurgosCceresCdizCartagena (M)CastellnC. RealCrdobaCuencaGeronaGijn (Oviedo)

GranadaGuadalajaraHuelvaHuescaJanLa CoruaLenLridaLogrooLugoMadridMlagaMurciaOrense

OviedoPalenciaPamplonaPontevedraSalamancaSan SebastinSantanderSantiagoSegoviaSevillaSoriaTarragonaTeruelToledoTortosaValenciaValladolidVigoVitoriaZamoraZaragozaMahnP. de MallorcaIzaaLa LagunaLas PalmasSanta CruzCeutaMelilla

322,480,6

117,874,4

390,6213,9204,6198,4384,4254,2

89,9133,3139,5310,0198,4365,8238,7167,4

257,3319,3136,4319,3217,0170,5403,0334,8316,2328,6316,2

83,7148,8244,9

244,9362,7325,5201,5350,3207,7158,1213,9368,9151,9381,3170,5368,9285,2182,9155,0359,6182,9313,1334,8291,4136,4155,0350,3

77,5

136,480,6

246,467,284,056,0

330,4151,2131,6162,4319,2184,847,592,4

106,4238,0126,0298,2176,4162,4

196,0249,286,8

243,6165,2142,8333,2210,0240,8263,2246,461,692,4

168,0

193,2282,8266,0156,8280,0179,2131,6176,4299,695,2

319,2117,6302,4207,2126,0117,6277,2142,8254,8260,4210,0117,6126,0322,064,4

126,070,0

198,437,252,721,7

300,799,296,1

136,4282,1145,724,858,968,2

189,180,6

251,1133,3145,7

155,0207,746,5

189,1124,0139,5297,6114,7195,3263,5192,237,243,4

136,4

179,8241,8217,0136,4232,5142,6124,0158,1260,437,2

282,196,1

257,3168,183,774,4

232,5133,3226,3198,4151,983,786,8

319,346,5

91,024,8

105,0

219,018,033,084,0

210,057,0

9,0

99,09,0

177,066,0

108,0

69,0132,0

99,039,099,0

204,036,0

129,0204,0102,0

57,0

138,0171,0147,081,0

144,099,090,0

114,0177,0

198,042,0

165,069,09,06,0

150,087,0

168,0132,075,030,024,0

255,018,0

48,0

93,0

89,9

37,2

46,5

31,080,6

74,4

46,537,224,83,1

12,46,2

18,652,7

74,4

40,3

21,73,1

55,86,2

179,8

24,8

142,6

133,3

12,4

93,0

49,6

18,6

9,3

164,3

46,5114,7

43,4

37,289,958,915,580,6

21,7102,3

96,1

86,8

93,06,2

62,058,96,2

161,2

189,0

282,096,054,093,0

273,0132,0

15,027,0

182,072,0

243,0111,0

87,0

132,0207,0

21,0186,0

93,099,0

291,0183,0195,0228,0204,0

27,0

141,0

153,0252,0204,0120,0240,0111,0

84,0138,0258,0

27,0270,0

60,0240,0165,0

63,042,0

240,099,0

222,0222,0162,0

12,024,0

261,0

21,0

291,452,783,755,8

268,9189,1136,4145,7356,5229,4

65,1111,6102,3282,1176,7362,7213,9151,9

232,5303,8111,6294,5192,2136,4368,9347,2282,1294,5300,7

65,1120,9220,1

207,7344,1291,4176,7322,4167,4136,4189,1347,2127,1356,5139,5341,0263,5151,9120,9334,8151,9297,6288,3254,2

96,1111,6325,5

52,7

58,949,6

1.247,6237,7338,2207,9

1.672,6749,4622,7735,9

1.615,2946,1227,4411,2443,4

1.201,2653,7

1.520,8873,3714,4

972,81.287,0

402,31.232,5

791,4688,2

1.693,71.189,71.229,41.377,81.259,5

247,6432,5910,4

978,61.483,41.303,9

791,41.425,2

807,9634,1875,5

1.534,1438,4

1.609,1583,7

1.509,61.089,0

607,5509,9

1.444,1709,9

1.313,81.303,91.069,5

445,8503,4

1.674,1241,1

433,3225,0

1.377,4237,7338,2207,9

2.127,2767,4655,7819,9

2.048,41.003,1

227,4411,2452,4

1.312,6662,7

1.828,0939,3868,9

1.041,81.468,6

402,31.350,1

830,4827,5

2.142,61.225,71.404,91.770,91.404,9

247,6432,5967,4

1.200,31.781,51.534,6

891,01.662,2

913,1724,1

1.029,81.866,1

438,41.977,6

625,71.801,71.158,0

616,5515,9

1.708,8806,2

1.599,61.501,01.150,7

475,8527,4

2.270,1259,1

481,3225,0

Tabla 17. Grados da con temperatura base 15/15


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- 40 -

EJEMPLO DE CLCULO DE DISTRICT HEATING

Ejercicio prctico sobre el clculo de un district heating geotrmico

Se dispone de un recurso geotrmico de agua a temperatura 70 C y un caudal explotable de 36

m3

/h y se desea realizar un estudio de viabilidad para calefaccionar un conjunto de 1.000viviendas cuyas caractersticas por vivienda son: superficie 100 m2, altura entre suelo y techo2,65 m (volumen habitable por vivienda 265 m3) y coeficiente global de prdidas volumtricasG = 0,9 W/m3C. El consumo de ACS anual por vivienda se estima en 5 Gcal/ao

El sistema de extraccin de calor del fluido geotrmico en el cambiador principal permite que latemperatura de salida del fluido geotrmico antes de su reinyeccin al pozo sea de 40 C

La distribucin de temperaturas exteriores medias horarias iguales o menores de 18 C a lo largodel ao segn se indica en la figura 33 (histograma de temperaturas medias horarias)

Para el clculo de calefaccin se supone una temperatura interior de confort de 20 C y una

temperatura exterior de proyecto de 5 C. Coeficientes de uso (u = 1), intermitencia (i = 0,8)

Se desea determinar:

a) Necesidades calorficas del conjunto de las 1.000 viviendas para dos temperaturasinteriores de referencia: 15C y 18 C (se supone que la temperatura interior de referenciaes la temperatura interior que debe mantener el sistema de calefaccin y que latemperatura de confort (20 C) se alcanza gracias a los aportes interiores gratuitos)

b) Cantidad de energa cubierta por la geotrmica suponiendo que el pozo slo trabaja 7000h/ao y el resto se cubre por una energa de apoyo (caldera o bomba de calor)

c)

Realizar un balance general de energa y determinar el ahorro anual de energa primaraque comporta esta instalacin

Solucin

a) La potencia trmica (Pt) de calefaccin por vivienda viene dada por:

WttVGP eit 963.5))5(20(2659,0)( ===

y la potencia a instalar (Pi): ( )hkcalWPP ti 155.6157.7963.52,12.1 ====

La potencia a instalar para el conjunto de 1000 viviendas: 7.157 kW 7.200 kW

A travs del histograma de frecuencias de temperatura para las 4.960 h/ao en las que es igual omenor de 18 C, se forman las tablas 5.1 y 5.2 correspondientes a las temperaturas de referenciade 15 C y 18 C, por lo que se pueden calcular los grados hora de base 15/15 y de base 18/18

para todo el periodo analizado y que se denominan respectivamente GH15 y GH18. Segn lastablas 5.1 y 5.2 valen respectivamente: 37.765 y 52.249 grados

Las figuras 34 y 35 proporcionan las curvas montonas de temperatura y de diferencia detemperatura. Estas figuras se construyen a partir de los datos de las tablas 18 y 19.

El consumo de calor por vivienda para la temperatura de referencia de 15 C ser:


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( )aokWhiuGHtt

PQ

ei

t 206.78,01765.37))5(20(

963.5

)( 1515 =

=

=

El consumo de calor por vivienda para la temperatura de referencia de 18 C ser:

( )aokWhiuGHtt

PQ

ei

t 970.98,01249.52))5(20(

963.5

)( 1818 =

=

=

Las demandas de calefaccin correspondientes a las 1000 viviendas son respectivamente:

Referencia 15 C: 7,2 106 kWh/ao = 6.197 Gcal/ao Referencia 18 C: 107 kWh/ao = 8.574 Gcal/ao

b) Cantidad de energa cubierta por la geotermia:

La potencia trmica extrada al fluido geotrmico es:

( ) ( ) ( ) kWthGcalttcmP GsGeGGG 256.108,140701000.36 ====o

En 7000 horas/ao de funcionamiento la energa es: GcalQG 560.708,1000.7 ==

c) Balance general de energa anual:

Concepto Temp. Referencia 15 C % Temp. Referencia 18 C %

Calefaccin 6.197 8.574ACS 5.000 5.000Total 11.197 100 13.574 100Geotermia 7.560 68 7.560 56Apoyo 3.637 32 6.014 44Balance anual de energa expresado en Gcal (Gigacaloras)


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- 42 -

Figura 33. Frecuencias horarias de la temperatura exterior

Figura 34. Curva de frecuencias acumuladas de temperatura exterior


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- 43 -

Figura 35. Curva de frecuencias acumuladas de diferencias de temperatura

Tabla 18. Tratamiento estadstico de las temperaturas (Temperatura base 15C)


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Tabla 19. Tratamiento estadstico de las temperaturas (Temperatura base 18C)

Capitulo GT2.3 Uso Directo Energía Geotérmica

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